1、生物计算理论及应用,2/60,报告提纲,1、研究背景2、生物计算是什么3、生物计算怎么做的4、生物计算研究进展5、华科生物计算实验室介绍,2,1 研究背景一,3,New York Times,Adam L. Penenberg著名杂志撰稿人,Linley Gwennap著名半导体市场分析师,John GustafsonAMD首席设计师,电子计算机制造工艺技术即将达到极限，摩尔定律面临挑战,Gordon E. Moore摩尔定律,1965,1997,张首晟自旋电子理论提出者,2003,2005,Yoram CedarSanDisk首席技术官,2007,2008,加来道雄弦理论奠基人,2012,2
2、013,4/60,1 研究背景二,4,电子计算机信息处理能力难于适应大数据的发展及处理需求,社交网络facebook,云计算Google,Jim Gray图灵奖获得者,Science 专刊Dealing with Bigdata,2013年信息安全,2013年医药生物,美国国家基金委 超摩尔工程,2005,2006,2007,2009,奥巴马大数据战略,2011,2012,2013,2013年航空航天,5/60,领袖科学家的构想,5,1 研究背景三,6,2 生物计算：是什么？,基于生物材料的计算,生物材料：DNA分子、细胞、细胞群等,生物计算,7,2 生物计算：为什么？,DNA分子存储容量大,
3、人类DNA分子大约有30亿个碱基对,DNA分子存储密度大,人类DNA分子折叠后不到1微米,DNA分子具有自组装能力,碱基特异性配对，构造微小器件,8,约有30亿个碱基对,分子折叠后不到1微米,30亿=6万本书（ 5万字/本）,存储容量和存储密度的直观比较,2 生物计算：为什么？,9,太原科技大学图书馆130万册书,25个人类DNA分子,DNA分子存储容量大、存储密度大,2 生物计算：为什么？,存储容量和存储密度的直观比较,10/60,10,一段26秒钟长的马丁路德金我有一个梦想演讲录音一篇关于DNA结构的经典学术论文的PDF文件莎士比亚十四行诗全篇一张EBI大楼的彩色照片一段这次试验使用的软件
4、算法,George M. Church, et al. Science, 337(6102), 2012,一本包含53,426个单词、11张图像和一个JavaScript程序的书被编入DNA中,Nick Goldman, Nature, 494:77-80. 2013,Harvard大学Church团队,欧洲生物信息研究所Goldman团队,一克重的DNA存储2.2个PB信息量,2 生物计算：为什么？,11/60,11,2 生物计算：为什么？,细胞核,质膜,内质网,高尔基体,溶酶体,线粒体,细胞是天然的分布式并行计算平台,12,Hamilton路问题,Len Adleman(RSA公钥加密算法
5、),Science(1994), 1021-1024,1, 2, 3, 4, 5, 6,1, 2, 4, 2, 3, 5, 6,1, 2, 3, 5, 6,3 生物计算：怎么做？,13,DNA计算实例,3 生物计算：怎么做？,14,步骤1（实验）合成DNA序列 （上海生工，￥2-4元/bp）,步骤2（实验）混合，生成所有可能的路（链接反应）,步骤3（实验）选取含起始点的路（PCR扩增）,步骤4（实验）选取长为 的路（凝胶电泳）,步骤5（实验）选取含点 的路（磁珠分离系统，亲和层析）,步骤6（实验）读取解（ PCR扩增，凝胶电泳）,3 生物计算：怎么做？,15,Gheorghe Pun,1998
6、,P systems,细胞核,质膜,高尔基体,溶酶体,线粒体,内质网,多“核”计算系统,Turing 机,3 生物计算：怎么做？,16,Active transport: uniport, symport, and antiport,A,B,C,E,D,3 生物计算：怎么做？,17,A,B,C,E,D,Active transport: uniport, symport, and antiport,3 生物计算：怎么做？,18,A,(A, in),B,C,E,D,Active transport: uniport, symport, and antiport,3 生物计算：怎么做？,19,A,
7、(A, in),B,C,E,D,Active transport: uniport, symport, and antiport,3 生物计算：怎么做？,20,A,(A, in),B,C,(BC, in),E,D,Active transport: uniport, symport, and antiport,3 生物计算：怎么做？,21,A,(A, in),B,C,(BC, in),D,E,Active transport: uniport, symport, and antiport,3 生物计算：怎么做？,22,A,(A, in),B,C,(BC, in),D,E,(E, in; D,
8、out),Active transport: uniport, symport, and antiport,uniport symport antiport,3 生物计算：怎么做？,B,1,3,2,3 生物计算：怎么做？,(AA, in),(B, in),(B, out)(AB, in),B,A,(AA, in),A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,1,3,2,3 生物计算：怎么做？,(AA, in),(B, in),(B, out)(AB, in),B,A,(AA, in),A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,1,3,2,3 生物计算：怎么做？,(AA, in),(B
9、, in),(B, out)(AB, in),B,A,(AA, in),A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,1,3,2,3 生物计算：怎么做？,(AA, in),(B, in),(B, out)(AB, in),B,A,(AA, in),A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,1,3,2,3 生物计算：怎么做？,(AA, in),(B, in),(B, out)(AB, in),B,A,(AA, in),A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,1,3,2,3 生物计算：怎么做？,(AA, in),(B, in),(B, out)(AB, in),B,A,(AA, i
10、n),A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,1,3,2,2 生物计算：怎么做？,(AA, in),(B, in),(B, out)(AB, in),B,A,(AA, in),A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,1,3,2,3 生物计算：怎么做？,(AA, in),(B, in),(B, out)(AB, in),B,A,(AA, in),A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,1,3,2,3 生物计算：怎么做？,(AA, in),(B, in),(B, out)(AB, in),B,A,(AA, in),A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,1,3,2,
11、3 生物计算：怎么做？,(AA, in),(B, in),(B, out)(AB, in),B,A,(AA, in),A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,1,3,2,3 生物计算：怎么做？,(AA, in),(B, in),(B, out)(AB, in),B,A,(AA, in),A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,1,3,2,3 生物计算：怎么做？,35,Hamilton路问题,输入,输出,大肠杆菌,菌群是否发出黄色荧光,Solving a Hamiltonian Path Problem with a bacterial computerJordan Baumga
12、rdner et al., Journal of Biological Engineering 2009, 3:11,3 生物计算：怎么做？,36,1985, Michael Conrad ：随着生物技术的发展，设计和制造更加有效的分子计算机是可能的，分子计算机在Von Neumann计算机的工作范围外有其重要的应用价值， ( On Design Principles for a Molecular Computer),Splicing系统（H系统）,1987 ，T. Head,Braich等，2002,20-Variable 3-SAT Problem,转基因常用技术：基因剪接,逻辑电路的生
13、物实现,Qian等，2011,4 生物计算：做得怎么样？,37,细胞可编程自主求解四则运算、对数、幂函数运算,Ramiz Daniel et al., Synthetic analog computation in living cells，Nature, 2013,4 生物计算：有什么用？,38,4 生物计算：有什么用？,Bryan Wei, Mingjie Dai, Peng Yin, Complex shapes self-assembled from single-stranded DNA tiles，Nature, 485, 2012,信息隐藏,39,4 生物计算：有什么用？,生物信号检测和靶向治疗,Trends in Cell Biology, December 2012, Vol. 22, No. 12,40,4 生物计算：有什么用？,合成生物学,41,4 生物计算研究人员,数学：分子设计与优化，计算模型和算法的理论研究,计算机：计算过程模拟，仿真软件开发，计算模型和算法的理论研究,生物、化学：实验设计与操作，DNA纳米技术，基于DNA的生物检测等应用研究,
