專(zhuān)利名稱(chēng)：Dna計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及DNA計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)之間的通信系統(tǒng)，特別涉及一種DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信技術(shù)、微電子學(xué)都屬于電子信息領(lǐng)域。微電子學(xué)是電路的物質(zhì)基礎(chǔ)，數(shù)字處理是先進(jìn)的處理方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)，這就是三者的關(guān)系。
通信即信息在空間上的傳遞。在通信中，信息的發(fā)出者稱(chēng)作信源，信息的接收者稱(chēng)為信宿，中間的傳輸通道稱(chēng)為信道。信息在空間上的傳遞一般是從信源出發(fā)，經(jīng)過(guò)信道，最后達(dá)到信宿。
數(shù)據(jù)通信是機(jī)器之間的通信，因此與其他通信方式一樣，需要在通信系統(tǒng)中規(guī)定一個(gè)統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)，即通信的內(nèi)容是什么、如何通信以及何時(shí)通信，這些內(nèi)容都必須在通信的實(shí)體之間遵守業(yè)界協(xié)定，這種協(xié)定被稱(chēng)為通信協(xié)議。也可以將通信協(xié)議定義為監(jiān)督和管理兩個(gè)實(shí)體之間數(shù)據(jù)交換的一整套規(guī)則?？傊?，通信協(xié)議就是對(duì)數(shù)據(jù)傳送方式的規(guī)定，包括數(shù)據(jù)格式定義和數(shù)據(jù)位定義等。
DNA計(jì)算機(jī)是一種生物形式的計(jì)算機(jī)。它是利用DNA(脫氧核糖核酸)建立的一種完整的信息技術(shù)形式，以編碼的DNA序列(通常意義上計(jì)算機(jī)內(nèi)存)為運(yùn)算對(duì)象，通過(guò)分子生物學(xué)的運(yùn)算操作以解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)難題或其它工程領(lǐng)域的問(wèn)題。據(jù)查，已經(jīng)公開(kāi)了一種微流控芯片DNA分子計(jì)算機(jī)發(fā)明專(zhuān)利以DNA分子為運(yùn)算或存儲(chǔ)介質(zhì)，形成以微流控芯片為操作平臺(tái)的DNA分子運(yùn)算器或存儲(chǔ)器；以電子計(jì)算機(jī)和檢測(cè)器為核心的控制器，控制器分別與DNA分子運(yùn)算器和DNA分子存儲(chǔ)器的微流控芯片上的電極連接。
根據(jù)Turing原理，以自動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的DNA計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)的以John von Neumann為基礎(chǔ)的電子計(jì)算機(jī)，前者是一種并行計(jì)算方式的計(jì)算機(jī)，而后者是一種串行計(jì)算方式的計(jì)算機(jī)，這兩種計(jì)算機(jī)之間一定存在一種信息溝通的方式——生物信息和電子信息的通信方法，才有可能使未來(lái)的雜合計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)。
目前DNA計(jì)算機(jī)還處在“手工操作”階段，它的運(yùn)行需要人工監(jiān)督或者半自動(dòng)化的方式來(lái)完成。究其原因，是目前的DNA計(jì)算機(jī)缺乏一種與電子計(jì)算機(jī)之間的通信機(jī)制，這同時(shí)也影響了DNA計(jì)算機(jī)的實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種DNA計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和方法。本發(fā)明提供的DNA計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)之間的通信系統(tǒng)包括應(yīng)用裝置，指令解釋裝置，編碼封裝裝置，接口裝置，反饋裝置和反應(yīng)裝置。
所述的應(yīng)用裝置提供用戶(hù)與DNA計(jì)算機(jī)之間交互的接口。應(yīng)用裝置主要完成兩個(gè)功能一是提供用戶(hù)操縱DNA計(jì)算機(jī)的界面。在這個(gè)界面上，用戶(hù)可以完成原始問(wèn)題到DNA堿基域的映射以及完成生物算法的設(shè)計(jì)。通過(guò)這個(gè)界面，用戶(hù)可以像使用Office辦公軟件一樣方便地使用DNA計(jì)算機(jī)。另一個(gè)功能是接收指令解釋裝置傳送的DNA計(jì)算結(jié)果，并將結(jié)果可視化。指令解釋裝置傳送的結(jié)果也是用電子計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)描述的。運(yùn)算結(jié)果的可視化可以幫助直觀(guān)地對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行合理的解釋。應(yīng)用裝置由安裝Windows操作系統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)組成。
所述的指令解釋裝置將應(yīng)用裝置的電子計(jì)算機(jī)指令解釋成DNA計(jì)算機(jī)上具體的生物操作指令(這些生物操作指令是DNA計(jì)算機(jī)的最小執(zhí)行單位——基本指令/原子操作)，確定這些原子生物操作的執(zhí)行順序，并依次將這些原子生物操作指令逐個(gè)傳送給編碼封裝裝置。另一方面，還需要將編碼封裝裝置反饋的DNA計(jì)算結(jié)果解釋成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。指令解釋裝置也是由安裝了代理程序的電子計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
所述的編碼封裝裝置將指令解釋裝置傳送的單個(gè)原子生物操作指令封裝成DNA計(jì)算機(jī)能直接執(zhí)行的指令。這里需要考慮每個(gè)原子生物操作的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)方法。然后將這個(gè)操作的步驟映射成控制傳感器和生化儀器的一系列指令，包括對(duì)生物芯片上發(fā)生該反應(yīng)的位置信息。編碼封裝裝置由操作傳感器和生化儀器的接口程序構(gòu)成。
所述的接口裝置是傳感器和生化儀器的各種信號(hào)接口。一方面，將編碼封裝裝置中的控制指令轉(zhuǎn)換成控制DNA計(jì)算機(jī)執(zhí)行生化操作的指令；另一方面，也將DNA計(jì)算機(jī)上的反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子計(jì)算機(jī)中的控制指令。接口裝置之間的通信采用電子計(jì)算機(jī)的串行通信方式或并行通信方式。
所述的反應(yīng)裝置包含有完成生化反應(yīng)的生物芯片以及控制這些生化反應(yīng)的各種傳感器和生化儀器。
所述的反饋裝置由監(jiān)控生化反應(yīng)的傳感器構(gòu)成。反饋裝置的生化操作的執(zhí)行情況由這些傳感器收集，以便反饋給指令解釋裝置。
所述的DNA計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)之間的通信系統(tǒng)和方法，其特征在于能實(shí)時(shí)將DNA計(jì)算機(jī)中的DNA片段轉(zhuǎn)化為電子計(jì)算機(jī)上的堿基序列，從而為發(fā)展DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)相集成的雜合計(jì)算機(jī)提供一種通信方法。


圖1是DNA計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)之間的通信系統(tǒng)；1.應(yīng)用裝置，2.指令解釋裝置，3.編碼封裝裝置，4.接口裝置，5.反應(yīng)裝置，6.反饋裝置，7.電子計(jì)算機(jī)，8.DNA計(jì)算機(jī)。
圖2是基因芯片探針選擇操作的實(shí)驗(yàn)操作步驟；圖3是DNA計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)之間的通信系統(tǒng)的實(shí)物連接圖；1.應(yīng)用裝置，2.指令解釋裝置，3.編碼封裝裝置，4.接口裝置，5.反應(yīng)裝置，6.反饋裝置，7.人機(jī)交互界面，8.RS232通信接口，9.89C51單片機(jī)，10.X軸伺服電機(jī)，11.Y軸伺服電機(jī)，12.調(diào)焦伺服電機(jī)，13.光電倍增管(PMT)接口，14.微流控芯片平臺(tái)，15.光電倍增管(PMT)，16.激光誘導(dǎo)熒光(LIF)檢測(cè)光路，17.CCD探測(cè)器，18.CCD接口，19.圖像采集卡。
圖4是DNA計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)之間接口裝置的連接圖；20.RS232接口，21.RS232/485轉(zhuǎn)換器，22.RS485接口，23.系統(tǒng)控制模塊，24.光電檢測(cè)模塊，25.高壓電源模塊，26.溫度加熱模塊。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
在描述處理DNA計(jì)算的生物操作中，我們像字典一樣羅列出工具箱內(nèi)的每一項(xiàng)技術(shù)操作，并給出每一項(xiàng)技術(shù)簡(jiǎn)短的定義式描述。這些單獨(dú)的生物操作要么完全執(zhí)行，要么不執(zhí)行，故稱(chēng)之為基本生物操作，每個(gè)操作對(duì)應(yīng)唯一狀態(tài)標(biāo)志，由生物傳感器返回給電子計(jì)算機(jī)。
常見(jiàn)的基本生物操作如下









電子計(jì)算機(jī)主程序根據(jù)生物操作對(duì)象的不同，將自己的流程劃分成若干單獨(dú)的基本生物操作事務(wù)，在本說(shuō)明中以基因芯片的探針選擇操作為實(shí)例描述。
將不同條件下從某生物體中轉(zhuǎn)錄出來(lái)的所有mRNA經(jīng)標(biāo)記成為探針后，再與包含它所有基因而制成的芯片雜交。通過(guò)分析雜交位點(diǎn)及其信號(hào)強(qiáng)弱，就可得出不同情況下每個(gè)基因是否已表達(dá)及表達(dá)多少。由于轉(zhuǎn)錄情況分析直接涉及到功能基因(表達(dá)基因)，它已成為DNA芯片研究中的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
基因芯片在分析過(guò)程中是用一系列短的、已知序列的寡核苷酸探針與目的DNA進(jìn)行雜交，根據(jù)雜交模式可構(gòu)建目的DNA的序列。如圖1所示，在本發(fā)明一種DNA計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)之間的通信系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)基因芯片探針選擇操作1)用戶(hù)在應(yīng)用裝置1發(fā)出“基因芯片探針選擇”操作命令。
2)指令解釋裝置2逐條解釋生物算法中的每一個(gè)描述，將其解釋成分子實(shí)驗(yàn)室中具體的生物基本操作，包括反應(yīng)名稱(chēng)和反應(yīng)條件，然后將單個(gè)的生物操作依次發(fā)給編碼封裝裝置3，待編碼封裝裝置3返回操作的執(zhí)行狀態(tài)后再發(fā)下一個(gè)生物操作，類(lèi)似于電子計(jì)算機(jī)中的指令寄存器。
3)編碼封裝裝置3發(fā)出選擇探針芯片的指令。通過(guò)選擇可尋址的生物芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4)電子計(jì)算機(jī)通過(guò)接口裝置4與DNA計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。
5)反應(yīng)裝置5無(wú)生化反應(yīng)。
6)反饋裝置6相應(yīng)的傳感器接收到確認(rèn)信息，確認(rèn)該操作1完成，并將反饋信息返回到接口裝置4，接口裝置4反饋到編碼封裝裝置3，再發(fā)下一個(gè)操作。
對(duì)于上述電子計(jì)算機(jī)端點(diǎn)擊的“基因芯片的探針選擇”操作，需要將其解釋成以下幾個(gè)基本的生物操作，程序流程圖如圖2所示1)前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備過(guò)程為抽提小量的mRNA，從少量的組織(1到10mg)或者細(xì)胞(102到104)樣品中抽提mRNA。
2)基本操作(3)取3μg RNA，加3倍體積的甲醛上樣染液，加EB于甲醛上樣染液中至終濃度為10μg/ml。加熱至70℃孵育15分鐘使樣品變性。假設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)度為12個(gè)寡核苷酸的DNA單鏈，其堿基組成為AGCCTAGCTGAA，當(dāng)然，在此刻，是不知道其組成的，需要用探針檢測(cè)。
3)中期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備由A、T、C、G這4種核苷酸任意組合形成的八聚體寡核苷酸探針(65，536個(gè))，排列組合，此處不贅述。
4)基本操作(8)將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行PCR反應(yīng)，提高濃度。反應(yīng)液94℃孵育2分鐘以變性cDNA探針，然后迅速放入冰中冷卻。此cDNA探針即可用于雜交。
5)基本操作(3)編碼封裝裝置3發(fā)出復(fù)性反應(yīng)的指令?？刂葡鄳?yīng)的溫浴儀器先將溫度升高到65℃，然后慢慢冷卻，降溫到20℃。電子計(jì)算機(jī)通過(guò)接口裝置4與DNA計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。反應(yīng)裝置5相應(yīng)的生化儀器先加熱芯片，然后慢慢冷卻。反饋裝置6相應(yīng)的傳感器接收到確認(rèn)信息，確認(rèn)該操作2完成，并將確認(rèn)信息返回到接口裝置，接口裝置反饋到編碼封裝裝置，再發(fā)下一個(gè)操作。
6)基本操作(9)在激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)儀上通過(guò)熒光檢測(cè)判斷選擇的結(jié)果。編碼封裝裝置在3指示激光誘導(dǎo)熒光生化檢測(cè)儀工作。電子計(jì)算機(jī)通過(guò)接口裝置4與DNA計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。反應(yīng)裝置5進(jìn)行激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)。反饋裝置6相應(yīng)的傳感器接收到確認(rèn)信息，確認(rèn)該操作3完成，并將確認(rèn)信息返回到接口裝置4，接口裝置4反饋到編碼封裝裝置3，再發(fā)下一個(gè)操作。
在編碼封裝裝置3完成這3個(gè)原子操作后，將執(zhí)行結(jié)果反饋到指令解釋裝置2。指令解釋裝置2再解釋下一條電子計(jì)算機(jī)指令。所有電子計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行完畢，解釋裝置將結(jié)果反饋到應(yīng)用裝置1。此例中，有5種探針可以和目的DNA互補(bǔ)結(jié)合，它們分別是TCGGATCG、CGGATCGA、GGATCGAC、GATCGACT、ATCGACTT，將這些具有重疊序列的探針進(jìn)行重新排序就可以確立目的DNA的互補(bǔ)序列。
權(quán)利要求
1.一種DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和方法，包括(1)應(yīng)用裝置(1)完成生物操作對(duì)象到DNA堿基域的映射以及完成生物算法的設(shè)計(jì)，接收指令解釋裝置(2)傳送的DNA計(jì)算結(jié)果，并將結(jié)果可視化；(2)指令解釋裝置(2)將應(yīng)用裝置(1)的電子計(jì)算機(jī)指令解釋成DNA計(jì)算機(jī)上具體的生物操作指令，確定原子生物操作的執(zhí)行順序，并依次將這些原子生物操作指令逐個(gè)傳送給編碼封裝裝置(3)，并將編碼封裝裝置(3)反饋的DNA計(jì)算結(jié)果解釋成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言；(3)編碼封裝裝置(3)將指令解釋裝置(2)傳送的單個(gè)原子生物操作指令封裝成DNA計(jì)算機(jī)能直接執(zhí)行的指令；(4)接口裝置(4)將編碼封裝裝置(3)中的控制指令轉(zhuǎn)換成控制DNA計(jì)算機(jī)執(zhí)行生化操作的指令；將DNA計(jì)算機(jī)上的反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子計(jì)算機(jī)中的控制指令；(5)反應(yīng)裝置(5)完成生化反應(yīng)；(6)反饋裝置(6)收集生化操作的執(zhí)行情況，反饋給指令解釋裝置(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和方法，其特征在于所述的應(yīng)用裝置(1)由安裝Windows操作系統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和方法，其特征在于所述的指令解釋裝置(2)由安裝了代理程序的電子計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和方法，其特征在于所述的編碼封裝裝置(3)由操作傳感器和生化儀器的接口裝置構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和方法，其特征在于所述的接口裝置(4)是傳感器和生化儀器的信號(hào)接口；接口裝置之間的通信采用電子計(jì)算機(jī)的串行通信方式或并行通信方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和方法，其特征在于所述的反應(yīng)裝置(5)包含有完成生化反應(yīng)的生物芯片以及控制這些生化反應(yīng)的各種傳感器和生化儀器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和方法，其特征在于所述的反饋裝置(6)由監(jiān)控生化反應(yīng)的傳感器構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和方法，包括應(yīng)用裝置(1)提供用戶(hù)與DNA計(jì)算機(jī)之間交互的接口；指令解釋裝置(2)將應(yīng)用裝置(1)的電子計(jì)算機(jī)指令解釋成DNA計(jì)算機(jī)上具體的生物操作指令；編碼封裝裝置(3)將指令解釋裝置(2)傳送的操作指令封裝成執(zhí)行指令；接口裝置(4)是傳感器和生化儀器的信號(hào)接口；反應(yīng)裝置(5)完成生化反應(yīng)；反饋裝置(6)將執(zhí)行情況反饋給指令解釋裝置(2)，本發(fā)明能實(shí)時(shí)將DNA計(jì)算機(jī)中的DNA片段轉(zhuǎn)化為電子計(jì)算機(jī)上的堿基序列，從而為發(fā)展DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)相集成的雜合計(jì)算機(jī)提供一種通信方法。
文檔編號(hào)G06N3/00GK101075302SQ20071004253
公開(kāi)日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2007年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月22日
發(fā)明者丁永生, 朱瑩 申請(qǐng)人:東華大學(xué)