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《數(shù)學(xué)技術(shù)之生物計算(四)》DNA和RNA及其計算

作者:張建中

DNA和RNA及其計算

DNA(Deoxyribo Nucleic Acid),脫氧核糖核酸的簡稱,由脫氧核苷酸組成的大分子聚合物,經(jīng)堿基、脫氧核糖磷酸構(gòu)成,是生物細胞內(nèi)含有的四種生物大分子之一核酸中的一種、生物體發(fā)育和正常運作必不可少的生物大分子。DNA分子結(jié)構(gòu)中,兩條多脫氧核苷酸鏈圍繞一個共同的中心軸盤繞,構(gòu)成雙螺旋結(jié)構(gòu)。脫氧核糖-磷酸鏈在螺旋結(jié)構(gòu)的外面,堿基朝向里面,兩條脫氧核苷酸鏈反向互補,通過堿基間的氫鍵形成的堿基配對相連,形成相當(dāng)穩(wěn)定的組合。

RNA(Ribo-Nucleic Acid),核糖核酸的簡稱,一般為單股長分子,是存在于細胞生物遺傳訊息的中間載體、并參與蛋白質(zhì)合成,還參與基因表達調(diào)控。RNA普遍存在于動物、植物、微生物及某些病毒和噬菌體內(nèi),對一部分病毒而言,RNA是其唯一的遺傳訊息載體。

DNA和RNA的結(jié)構(gòu)(圖片源自互聯(lián)網(wǎng))

DNA可分為很多小段,每一小段都具有專一的遺傳性狀及功能,這些小段稱為“基因(gene)”?;虻幕瘜W(xué)本質(zhì)是DNA,有時也可是RNA,是控制生物性狀的遺傳物質(zhì)的功能單位和結(jié)構(gòu)單位,是有遺傳效應(yīng)的DNA片段?;蛟谌旧w上呈線性排列,每個基因中可以含有成百上千個脫氧核苷酸,其排列順序就代表遺傳信息。生物的多樣性,往往在百分之零點幾甚至更低的微小基因差別上,只要有一條基因不同,長出來的生物就會有很大的區(qū)別。

DNA(脫氧核糖核酸)是生物細胞內(nèi)攜帶有合成RNA(核糖核酸)和蛋白質(zhì)所必需的遺傳信息的一種核酸,是生物體發(fā)育和正常運作必不可少的生物大分子;DNA中的核苷酸中堿基的排列順序構(gòu)成了遺傳信息,可以通過轉(zhuǎn)錄過程形成RNA,然后其中的mRNA通過翻譯產(chǎn)生多肽,形成蛋白質(zhì)。脫氧核苷酸堿基、脫氧核糖磷酸構(gòu)成,其中堿基有4種:腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(C)。DNA傳遞給RNA,再從RNA傳遞給蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程,以及遺傳信息從DNA傳遞給DNA的復(fù)制過程,為生物學(xué)中的中心法則。某些病毒中RNA同樣可以反過來決定DNA,為逆轉(zhuǎn)錄,是對中心法則的補充和完善。

在細胞分裂之前,DNA復(fù)制過程復(fù)制了遺傳信息,避免了在不同細胞世代之間的轉(zhuǎn)變中遺傳信息的丟失。在真核生物中,DNA存在于細胞核內(nèi)稱為染色體的結(jié)構(gòu)中;在沒有細胞核的其它生物中,DNA要么存在于染色體中,要么存在于其它組織中。細菌有單環(huán)雙鏈DNA分子,而病毒有DNA或RNA基因組。在染色體中,染色質(zhì)蛋白如組蛋白、共存蛋白和凝聚蛋白將DNA在一個有序的結(jié)構(gòu)中。這些結(jié)構(gòu)指導(dǎo)遺傳密碼和負責(zé)轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)之間的相互作用,有助于控制基因的轉(zhuǎn)錄。

DNA使細胞核中攜帶生物生長指令的遺傳物質(zhì),擁有不可思議的資料存儲功能,可能比硅晶片更強。一般而言,1毫克DNA的存儲功能大約相當(dāng)于1萬片的光碟片,更為不可思議的是DNA還具有在同一時間處理數(shù)兆個運算指令的能力。將生命活動的指令進行編碼的遺傳分子DNA和RNA里可以儲存比常規(guī)存儲芯片多的數(shù)據(jù)。試管狀的生物計算機中含有大量的遺傳物質(zhì)片斷,每一個片斷就是一個微型計算工具,因此生物計算機能同時進行數(shù)千次甚至上百萬次計算。

細胞是生物體最基本的結(jié)構(gòu)和功能單元,蘊含了大自然千萬年進化所沉淀的智能,其中DNA分子具有存儲容量大、存儲密度高、自組裝等特點,是信息處理值得探索的理想載體。

RNA是由核糖核苷酸經(jīng)磷酸雙酯鍵縮合而成長鏈狀分子。一個核糖核苷酸分子由磷酸,和構(gòu)成。RNA的主要有四種,即(A)、(U)、(G)和(C),另外還有多種特殊堿基存在于特定類型RNA。

在細胞中,根據(jù)結(jié)構(gòu)功能的不同,RNA主要分三類,即tRNA、rRNAmRNA。mRNA是依據(jù)DNA序列轉(zhuǎn)錄而成的蛋白質(zhì)合成模板;tRNA是mRNA上遺傳密碼的識別者和氨基酸的轉(zhuǎn)運者;rRNA是組成核糖體的部分,而核糖體是蛋白質(zhì)合成的機制。

DNA不同的是RNA一般為單股長分子,但在一般水溶液中會形成分子內(nèi)雙螺旋結(jié)構(gòu)。此外,RNA本身也需要通過堿基配對原則形成一定的二級結(jié)構(gòu)乃至三級結(jié)構(gòu)來行使生物學(xué)功能。RNA的堿基配對規(guī)則基本上和DNA相同,不過其中尿嘧啶在配對上的作用,相當(dāng)于DNA中的胸腺嘧啶。

DNA與RNA在組成、空間結(jié)構(gòu)、存在部位、合成方式和功能作用五個方面存在不同:

1、組成不同

DNA的組成單位是脫氧核苷酸,組成堿基是ATGC,組成五碳糖是脫氧核糖。

RNA的組成單位是核糖核苷酸,組成堿基是AUGC,組成五碳糖是核糖。

2、空間結(jié)構(gòu)不同

DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu),分子由兩條反向平行的多聚核苷酸鏈圍繞同一中心軸盤曲而成,兩條鏈均為右手螺旋,鏈呈反平行走向。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要由互補堿基對之間的氫鍵和堿基堆積力來維持。

RNA是單鏈,是以DNA的一條鏈為模板,以堿基互補配對原則,轉(zhuǎn)錄而形成的一條單鏈。

3、存在部位不同

DNA在真核細胞中,主要存在于細胞核內(nèi),少量存在于細胞質(zhì)中。原核細胞中,主要存在于擬核內(nèi),少量存在于細胞質(zhì)中,也存在于DNA病毒中。

RNA主要分布在細胞質(zhì)中或RNA病毒中。

4、合成方式不同

DNA的合成方式是DNA復(fù)制和逆轉(zhuǎn)錄方式。

RNA的合成方式是DNA轉(zhuǎn)錄和RNA復(fù)制。

5、功能作用不同

DNA的作用是貯存決定物種的所有蛋白質(zhì)和RNA結(jié)構(gòu)的全部遺傳信息;策劃生物有次序地合成細胞和組織組分的時間和空間;確定生物生命周期自始至終的活性和確定生物的個性。

1999年人類基因組計劃的科學(xué)家宣布譯出首對人體染色體遺傳密碼,這是人類科學(xué)領(lǐng)域的又一重大突破。人類基因組計劃是人類歷史上與曼哈頓原子彈工程及阿波羅登月計劃齊名的人類三大科學(xué)工程之一,但其價值和對人類社會的影響將遠遠超過前兩個計劃。2000年人類有史以來第一個基因組草圖繪制完成,參與人類基因組計劃的六國科學(xué)家聯(lián)合公布了人類基因組圖譜及其分析結(jié)果,繪制出完整的人類基因組圖譜,破譯出人類全部遺傳信息。這一計劃的實施為人類自身疾病的診斷和防治提供依據(jù),給醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)帶來不可估量的變化,將促進生命科學(xué)、信息科學(xué)及一批高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

生物技術(shù),在二十世紀得到空前的發(fā)展,特別是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)和人類基因組計劃的實施,更使得生物技術(shù)成為21世紀高新科技的主流。由于生物技術(shù)能夠揭示生物構(gòu)造和遺傳的秘密,對于促進人口與健康、農(nóng)業(yè)高新技術(shù)、生態(tài)環(huán)境、食品和化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展具有重大作用,因而具有廣闊的發(fā)展前景。

DNA計算(DNA Computing),是指基于大量DNA分子自然的并行操作及生化處理技術(shù),通過產(chǎn)生類似于某種數(shù)學(xué)過程的一種組合結(jié)果并對其進行抽取和檢測來完成問題求解的過程;DNA計算研究涉及許多方面,如DNA計算的能力、模型和算法等。最近也有學(xué)者開始將DNA計算與遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)和混沌系統(tǒng)等智能計算方法相結(jié)合。DNA計算的許多研究有待著各個學(xué)科的合作研究,如生物學(xué)、化學(xué)、計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程學(xué)等,目前許多領(lǐng)域的科學(xué)家正在協(xié)調(diào)合作將這一理想變?yōu)楝F(xiàn)實。

盡管生物學(xué)和數(shù)學(xué)各有各自的研究領(lǐng)域和內(nèi)涵,但近年來,由生物學(xué)和數(shù)學(xué)這兩大領(lǐng)域交叉得到了一個跨學(xué)科的領(lǐng)域——數(shù)學(xué)生物學(xué)。數(shù)學(xué)手段可用于研究生物學(xué),生物學(xué)工具也可用來解答數(shù)學(xué)問題。從這里可看出,數(shù)學(xué)生物學(xué)的思想包含著兩個過程:

① 生物體所具有的復(fù)雜結(jié)構(gòu),實際上是編碼在DNA序列中的原始信息經(jīng)過一些簡單的處理后得到的,或者說經(jīng)過一系列DNA簡單操作可得出一個復(fù)雜的結(jié)果;

② 求一個含變量w的可計算函數(shù)f (W) 的值,也可以通過求一系列含變量w的簡單函數(shù)的復(fù)合來實現(xiàn),即通過對w運用簡單的函數(shù)關(guān)系可獲得對w的復(fù)雜函數(shù) f (W) 的結(jié)果。

DNA計算的優(yōu)勢包括:(1)并行計算能力強,運算速度快,能在多項式時間內(nèi)解決復(fù)雜的計算問題;(2)適于研究涉及生命科學(xué)的問題;(3)抗電磁干擾強;(4)耗能少,僅需保證一定條件,反應(yīng)就可持續(xù);(5)DNA存儲能力強。

DNA計算面臨的挑戰(zhàn)有:(1)由于動力學(xué)和熱力學(xué)的原因,大量計算中難免會出現(xiàn)“偽解”;(2)目前DNA計算大多在試管中實現(xiàn),難以芯片化;(3)某些步驟要求高于一般生化反應(yīng)的操作水平;(4)分子生物操作所需要的時間長。

DNA計算,在電子計算機的摩爾定律一步步將硅芯片技術(shù)逼至極限的同時,以DNA計算為代表的非傳統(tǒng)計算技術(shù)將得到更多重視和投入,只是簡單堆砌DNA分子以擴大反應(yīng)規(guī)模難以給這項技術(shù)帶來質(zhì)的飛躍,真正的飛躍還有賴于分子生物學(xué)和生物信息學(xué)這一交叉學(xué)科的突破。

DNA計算的研究屬于生物學(xué)、遺傳學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、計算機科學(xué)、控制論和智能科學(xué)等學(xué)科的交叉領(lǐng)域,內(nèi)容深奧、涉及的范圍很廣。目前,DNA計算的研究內(nèi)容主要集中在以下幾個方面。

(1) DNA計算的生物工具和算法實現(xiàn)技術(shù);

(2) DNA計算的模型主要考慮各種DNA計算的理論模型,討論它們的計算能力和數(shù)學(xué)實現(xiàn);

(3) DNA計算機的基本計算主要研究DNA的布爾電路運算、數(shù)字DNA、算術(shù)運算、分子乘、分子編程和應(yīng)用等方面;

(4) DNA計算與軟計算的集成基于DNA機理,闡述DNA計算與軟計算集成的技術(shù)和方法,主要有面向智能系統(tǒng)的人工DNA模型、基于DNA機理的智能系統(tǒng)和基于人工DNA模型的計算智能理論及其應(yīng)用方法,并將其應(yīng)用于智能系統(tǒng)的在線學(xué)習(xí)、優(yōu)化和控制;

(5) DNA智能計算學(xué)者認為,DNA計算的研究為人類研制分子計算機奠定基礎(chǔ)。

基于DNA計算的智能系統(tǒng)將會架設(shè)DNA計算與智能系統(tǒng)研究的橋梁,在DNA智能計算機等相關(guān)研究中起一些墊腳石作用。DNA計算與軟計算的集成,將為DNA智能計算機提供一條很好的實現(xiàn)途徑。DNA智能計算機可徹底解決現(xiàn)有計算機所無法實現(xiàn)的智能運算功能。

生物技術(shù)應(yīng)用(Biotechnology applications)是指利用生物技術(shù)對生物有機體研究、制造的各類產(chǎn)品在工程、農(nóng)業(yè),醫(yī)藥和其它領(lǐng)域在各個方面的應(yīng)用。

生物技術(shù)需要純生物科學(xué)(遺傳學(xué),微生物學(xué),動物細胞培植,分子生物學(xué),生物化學(xué),細胞生物學(xué)等)以及生物學(xué)外的領(lǐng)域(化學(xué)工程,生物加工工程,信息技術(shù),生物機器人)的知識。相反,現(xiàn)代的生物科學(xué)(包括分子生態(tài)學(xué)概念)是和生物技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)的DNA和RNA技術(shù),還包括遺傳工程和細胞及組積培植技術(shù)。

生物技術(shù)在四個主要工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,包括醫(yī)療保健,谷物生產(chǎn)和農(nóng)業(yè),谷物非食品利用和其它產(chǎn)品(生物所能分解的塑料,植物油,生物燃料)及其環(huán)境的使用,如生物技術(shù)的一種應(yīng)用是直接用有機體生產(chǎn)有機產(chǎn)品。另外的個例是生物浸礦采礦工業(yè)用已有的細菌,生物技術(shù)還用到回收、廢品處理和清理污物等方面。

蘭色生物技術(shù)是一項用到海里和水生應(yīng)用的生物技術(shù),使用較少。綠色生物技術(shù)是一項用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)。一個例子是通過微細菌增殖,選擇和馴化植物。另一例子是設(shè)計轉(zhuǎn)基因植物在有或無化學(xué)藥品特別環(huán)境中生長。希望綠色生物技術(shù)可產(chǎn)生比傳統(tǒng)工業(yè)和農(nóng)業(yè)更好的效果。紅色生物技術(shù)是應(yīng)用醫(yī)藥方面的技術(shù),一些例子是設(shè)計生產(chǎn)抗菌素,以及改變基因治療疾病的基因工程。白色生物技術(shù),也稱工業(yè)生物技術(shù),是應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù),例子是設(shè)計一個有機體去產(chǎn)生有用的化學(xué)醫(yī)藥。

現(xiàn)代生物技術(shù)在醫(yī)藥方面應(yīng)用有:

遺傳藥理學(xué)研究個體遺傳如何影晌人體對藥物的反應(yīng),著眼點在于能設(shè)計和生產(chǎn)適合每個個體遺傳特性的藥物。

制藥產(chǎn)品:大多數(shù)傳統(tǒng)制藥用簡單分子,由經(jīng)驗處理疾病的痛癥得來。生物制藥用生物大分子,如蛋白和從疾病產(chǎn)生的機理有針對性地選用,是一個相對年輕的工業(yè)。小分子用化學(xué)制造,但大分子要用在人體內(nèi)的活細胞,如細菌細胞,動物或植物細胞。小細胞的藥可制成藥片;但大分子的藥則要注射。

基因測試可直接試驗DNA 分子本身,可測出它是否有變異?;虔煼捎谜;蜓a充或替換有缺陷的基因治病。

克隆包括從一個細胞把核移出來放到一個未受精的卵細胞中;這個卵細胞的核或者被移走,或已不活動。

克隆分二種:1. 復(fù)制克?。航?jīng)一些分裂后,卵細胞放入子宮內(nèi),并可發(fā)展成胎兒;2. 治療克?。郝逊湃胍粋€佩斯里碟內(nèi),在這里它可發(fā)展成胚胎的干細胞,它可能治兒種病。

農(nóng)業(yè)應(yīng)用:1. 谷物生產(chǎn):利用一或二種基因轉(zhuǎn)給谷物,可使它具有增加產(chǎn)量的性質(zhì),是現(xiàn)代生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)最明顯的應(yīng)用;2. 減少谷物受環(huán)境影晌:希望找出能抗風(fēng),抗鹽堿、干旱等自然災(zāi)害的基因,傳輸給谷物,使它們減少受環(huán)境的影晌;3. 增加營養(yǎng)質(zhì)量:改善食物的味道、織構(gòu)和外形,減少對肥料、農(nóng)藥和其它農(nóng)業(yè)化學(xué)藥品的依賴;4. 栽培新的谷物品種。

對人口、食物、環(huán)境、能源等問題進行綜合研究,開創(chuàng)各種綜合解決這些問題農(nóng)業(yè)生態(tài)工程的興起,最終將發(fā)展新的、大規(guī)模的近代化農(nóng)業(yè)。由此可以看到,生物科學(xué)的發(fā)展,DNA與RNA的深入研究,和人類的未來發(fā)展關(guān)系密切,息息相關(guān),且極其重要。

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