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研究内容及研究切入点 电气信息工程学院 二○一二年六月 生物信息计算研究方向 一、概述 二、主要研究内容 三、开放性课题 四、研究切入点 五、如何确定并进入课题 内容 一、概述 1994年，美国南加州大学的Prof. Adleman实验室内解决了7个顶点的有向Hamiltonian Path Problem. Adleman L M. Science, 1994, 266(5187): 1021-1024. 人类基因组DNA全序列测定DNA计算的共同特征： 以DNA分子为物质基础，以计算（数学）为基本原理 新的自然观： 生物是计算的产物，计算是生物的本能 1、DNA计算的起源 DNA计算是计算机科学和分子生物学相结合而发展起来的一个多学科交叉研究领域。它是一种以DNA为介质，以生化实验为算子，利用DNA杂交反应的强大并行计算能力和DNA分子的海量存储能力来解决特定问题的新型计算模式 一、概述 2、DNA计算的模型 基于生化操作基础上的模型 所涉及的生化操作都可以在实验室内成功实现。如：试管模型，表面模型和芯片模型 形式上的模型 首先将一种或多种生物操作技术抽象为算子，然后在这些算子基础上进行建模。如：粘贴系统，剪接系统，插入－删除系统，DNA等量检测模型等 一、概述 3、DNA计算的基本思想 利用DNA分子特殊的双螺旋结构和Watson-Crick互补原理进行信息编码，即对于数学问题的所有可能解，按照一定的规则将原始问题的数据对象映射为DNA分子链，用不同的DNA序列进行编码；然后在相关生物酶的作用下，生成各种数据池，并对经过高度并行映射后的DNA分子链进行可控的生化操作（瞬间完成），生成新的DNA片断，即原始问题的所有可能的解空间；最后利用分子生物检测技术萃取出所需要的新的DNA片断（即原始问题的解）。 例证 一、概述 4、存在的问题 一、概述 5、DNA自组装 一、立项依据 系统生物学的思想和方法为全面了解DNA自组装机理提供了可能：从系统的角度，通过关联和整合实验数据，研究整合目标下的建模，在此基础上进行系统结构及动力学分析，解释系统机理或预测系统行为 2、解决办法 3、意义 为DNA自组装相关应用领域提供新思路和理论支撑 为系统生物学的建模和分析提供新方法 二、研究内容、方法与技术路线 数据信息的搜集、整理和整合 自组装网络结构系统模型的构建 网络功能模体间相互作用及其动力学性质的研究 自组装网络结构的可计算模型的构建 自组装结构网络的可控性研究 1、研究内容 二、研究内容、方法与技术路线 (1) 自组装数据的搜集、整理与整合 2. 研究方法 通过文献、数据库等检索方法收集DNA自组装相关的数据信息，并加以整理与研究 研究有效的数据处理方法，确定DNA自组装子单元结构间的量化关系，揭示网络模型优化的目标与方向 二、研究内容、方法与技术路线 (2) 结合DNA计算理论搭建系统层次间模型 2. 研究方法 划分系统层级：DNA编码序列层、DNA Tile层；功能模体层、复合功能模体层；模块层等 发展DNA算法，建立模块层与复合功能模体层及功能模体层与DNA Tile层间关系的可计算模型 二、研究内容、方法与技术路线 (3) 建立复杂网络的可计算模型 2. 研究方法 利用或发展相关聚类算法，寻找网络模块内有统计显著性的功能模体 基于单模体动力学行为，研究多模体间相互作用的非线性系统，分析其动力学行为 利用多模体相互作用模型，建立集数据、算法和模型为一体的非线性系统，结合实验结论，阐释复杂网络组装机制 二、研究内容、方法与技术路线 (4) 开展DNA自组装网络结构的可控性研究 2. 研究方法 拟从以下两方面开展系统的可控性研究 寻找线性、非线性网络模型的驱动节点，分析其生物功能 方法：寻找最大匹配；局部效应网络 寻找具体控制模体、模块的方法 方法：通过Matlab编程分析三阶和四阶模体相关动力学参数变化对模体可控性的影响；对小规模模块进行扩展研究，寻找定量控制模块的方法 三、关键技术与创新点 1. 关键技术 如何定量描述复杂网络结构系统的层级间关系 如何建立基于功能模体的网络结构的可计算模型 如何分析生化反应参数变动下的模型可控性 三、关键技术与创新点 为建立复杂网络结构系统层次间的联系，本项目提出发展DNA计算理论，建立模体层与模块层间、分子瓦层与模体层间的关系，为多层次生物网络重构提供新方法 本项目提出从多节点功能模体出发，建立模体间相互作用的可计算模型，这与目前从单个模体考察系统的动力学特性有着较为本质的区别，为理解