接口DNA

DNA 计算机早在2001年11月，Nature杂志上报道了一种由DNA分子和相应的酶分子构成的DNA 生物计算机，体积只有一只试管的1/16，每秒可执行10亿次作业，准确率高达99.8%，这种DNA计算机也是世界上第一部输入输出、软件和硬件均由生物分子组成的有图灵机功能的可程序自律计算机器，是DNA计算机研究的标志性重大进展。

十多年来，DNA计算机取得了很多研究成果。

例如，2011年7月，以色列用生物计算机探测多种不同类型分子；2011年9月，美国用生物计算机摧毁癌细胞；2011年10月，英国用细菌研制出生物逻辑门等等。

当前的电子计算机是以电流来传递信号的，计算机中的加减乘除是一种物理性质的符号变换，而DNA计算机传递信号的是DNA分子，DNA计算机中对应的有一套生物化学性质的变换，即DNA分子的切割，连接，插入和删除等。

DNA计算机工作的主要原理是将运算信息排列于DNA上，并通过特定DNA片段之间的相互作用来得出运算结果。

作为原始数据以及构成软件的DNA寡聚核苷酸分子，由作为硬件的酶对它进行切割和连接，最终生成新的DNA输出数据。

通过处理反应后的溶液，就可以读出这些数据。

DNA计算将彻底改变计算机硬件的性质和基本运作。

DNA计算机优点超强的并行处理能力：数百万亿个DNA 分子可在一个狭小的表面区域通过生物化学反应来实现运算，相当于大批的DNA 计算机并行操作，而且它们之间传输数据的通讯过程也很简单，这一并行处理能力可与目前功能最为强大的超级电子计算机媲美。

而且DNA 计算机的能耗远远低于一般电子计算机。

存储容量大：1克DNA能够存储大约2拍字节，相当于大约300万张CD，今后，拇指大小的设备就能存下整个互联网的信息。

耗能低：DNA计算机的能耗非常低，仅相当于普通电脑的10亿分之一。

如果放置在活体细胞内，能耗还会更低。

运算快：其运算速度可以达到每秒10亿次，十几个小时的DNA计算，相当于所有电脑问世以来的总运算量。

dna序列连接方式DNA序列连接方式DNA序列连接是指将两个或多个DNA序列通过特定的方法连接在一起，形成一个新的DNA序列。

DNA序列连接在生物学研究和基因工程中具有重要的应用价值。

本文将介绍几种常见的DNA序列连接方式。

一、末端连接方式末端连接是指将两个DNA序列的末端通过酶催化反应连接在一起。

常用的末端连接酶有T4 DNA连接酶和DNA连接酶I。

在末端连接过程中，需要将两个DNA序列末端加工，使其能够与连接酶结合并形成连接。

1. T4 DNA连接酶法T4 DNA连接酶是一种常用的DNA连接酶，能够催化DNA链的连接。

在T4 DNA连接酶法中，首先需要将两个DNA序列的末端加工，使其具有单链突起。

然后将DNA序列和连接酶一起反应，形成连接产物。

最后通过热变性或酶切等方法，使连接产物恢复为双链结构。

2. DNA连接酶I法DNA连接酶I是一种与T4 DNA连接酶相似的酶，也能够催化DNA链的连接。

DNA连接酶I法与T4 DNA连接酶法类似，首先需要将两个DNA序列的末端加工，使其具有单链突起。

然后将DNA序列和连接酶一起反应，形成连接产物。

最后通过热变性或酶切等方法，使连接产物恢复为双链结构。

二、中间连接方式中间连接是指将两个DNA序列的中间部分连接在一起，形成一个新的DNA序列。

常用的中间连接方法有接头连接法和PCR连接法。

1. 接头连接法接头连接法是一种将两个DNA序列的中间部分连接的方法。

在接头连接过程中，首先需要在两个DNA序列的中间部分引入相应的接头序列。

然后通过连接酶的作用，将两个DNA序列的接头连接在一起，形成一个新的DNA序列。

2. PCR连接法PCR连接法是一种利用聚合酶链式反应（PCR）将两个DNA序列连接在一起的方法。

在PCR连接过程中，首先需要设计特定的引物，使其能够同时扩增两个DNA序列。

然后通过PCR反应，将两个DNA序列连接在一起，形成一个新的DNA序列。

三、重组连接方式重组连接是指通过DNA重组技术将两个DNA序列连接在一起，形成一个新的DNA序列。

高通量测序中的接头（adapter）到底是什么主要参考祝让飞的文章及Tufts网站中的信息，特此致谢。

首先放一张测序示意图，在DNA片段两端所加的序列即接头序列，也就是我们今天要讲述的主角。

测序示意图1 基本概念1.1 adapter接头，为一段已知的短核苷酸序列，用于链接未知的目标测序片段1.2 index或barcode几个碱基组成的寡核苷酸链，用于在混合测序时，区分不同样本1.3 insert待测序的目标序列，位于两个adapter之间测序片段示意图测序片段包括几个部分：universal_adapter-insert-indexed_adapter。

测序由5'端开始，最开始的几个碱基无法测得，第一个adapter 在数据输出时去除，由于测序读长的限制，第二个adapter通常测不到。

但是如果插入片段本身较短，测序会测穿，即会得到insert-部分adapter 这样的read，这里的adapter便是我们常常提到的需要去除的接头部分。

2 序列信息2.1 接头序列（示例）universal adapter:5’-AATGATACGGCGACCACCGAGATCTACACTCTTTCCCTACACGACGC TCTTCCGATCT-3’indexed adapter:5’-GATCGGAAGAGCACACGTCTGAACTCCAGTCAC(barcode)ATCTCG TATGCCGTCTTCTGCTTG-3’仔细看上面这对接头序列，universal adapter的3'末端的T与待测片段新增的A配对，那么剩余序列的反向互补链为GATCGGAAGAGCGTCGTGTAGGGAAAGAGTGTAGATCTCGGTGGTCGCCGTATCATT与 indexed adapter 的前面12个碱基一致GATCGGAAGAGCACACGTCTGAACTCCAGTCAC，即两段接头序列部分互补，形成Y型的结构。

使质粒数量增加的方法质粒是一种重要的生物学实验工具，是许多基因工程研究中必不可少的技术手段。

在很多生物学研究中，需要大量的质粒来实现基因重组、基因转染、转录调控等实验目的。

那么，如何使质粒数量增加呢？下面将介绍几种常用的方法。

一、原核生物的质粒放大法原核生物常见的质粒放大方法是静态培养，通过静态培养，一般情况下，质粒的放大倍数可以达到10^6 ~ 10^9倍。

该方法适用于质粒小、具有自复制功能的质粒。

具体步骤如下：1.选用含有质粒的培养基，人工制成不同营养成分和pH值的富含异陈酸和氧气等营养环境，用于接种原核生物。

2.选好实验室装备，洗净消毒培养漏斗，准备好培养皿和塑料瓶等。

3.消毒操作台和手术工具，并在需要放大的菌株上划线。

4.将细菌菌落取出，用于静态培养，常常使用培养皿方法，加入含有质粒的培养基中。

5.培养皿使用条件为：室温下置放，保证足够湿度，不然会导致菌落枯萎。

6.一般情况下，静态培养3-4天左右，即可实现质粒的大量产出。

二、质粒DNA的提取和扩增在实验室中，我们也可以通过直接提取和扩增质粒DNA的方法实现质粒数量的增加。

这是利用PCR技术进行的，需要提取的质粒数量较大，容易污染，因此需要进行细致的操作控制。

具体步骤如下：1.首先，筛选含有所需质粒的菌株。

2.使用工具将菌株培养在富含甲基红的液体培养基。

3.将菌株培养至对数生长期，同时可以添加胡萝卜素等增殖因子。

4.使用氯仿/异丙醇进行质粒提取，将提取的质粒抛掉，保留接口部分的DNA。

5.使用PCR扩增技术将接口部分的DNA扩大，可以估计一份质粒在每个菌中的复制数。

三、质粒的质粒DNA片段重组质粒DNA片段重组是利用分子生物学技术实现的质粒扩增方法，也是一种实验室中常见的质粒扩增方法。

这种方法适用于较小的质粒，产量比较大。

具体步骤如下：1.使用PCR技术进行质粒DNA片段的扩增。

2.剪切PCR片段并克隆质粒。

3.扩大克隆的质粒，并进行质粒复制。

dna测序固态纳米孔
固态纳米孔是一种用于DNA测序的新技术，它利用纳米尺度的孔道来逐个读取DNA分子中的碱基序列。

固态纳米孔通常是通过在固体材料上制备纳米孔，如硅或氮化硅薄膜上的孔道，来实现的。

在固态纳米孔测序中，DNA分子被拉伸通过纳米孔，然后通过测量电流信号的变化来确定每个碱基的类型。

当DNA分子通过孔道时，不同的碱基会产生不同的电流信号，这样就可以逐个读取DNA序列。

固态纳米孔测序具有高通量、高分辨率和快速的优点，可以在短时间内读取大量的DNA序列。

它已经在基因组学研究、生物医学和临床诊断等领域得到广泛应用。

然而，固态纳米孔测序仍面临一些挑战，如孔径大小的控制、电流信号的噪声和DNA分子通过速度的控制等。

未来的研究将继续改进固态纳米孔技术，以提高测序的准确性和效率。

关于Xilinx-FPGA的DNA的使用场景和读Evening_FPGA 2018-11-23 15:13:09 3726 收藏 15Xilinx每一个FPGA都有一个独特的ID，也就是Device DNA，这个ID相当于我们的身份证，在FPGA芯片生产的时候就已经写死在芯片的eFuse寄存器中，具有不可修改的属性，因为使用的是熔断技术。

值得说明的是，在7系列及以前，这个ID都是57bit的，但是在Xilinx的Ultraslace架构下是96bit。

FPGA的DNA我们一般的使用场景是用于用户逻辑加密。

一般来说，用户在逻辑上可以通过特定的接口把这个Device DNA读取出来，经过一系列加密算法之后和预先在外部Flash存储的一串加密后的字节串做比较，这个flash存储的加密后的字节串也是由该DNA经过加密后得到，fpga加载程序后可以先从flash读出该段字节做比较，如果相同，则让FPGA启动相应的逻辑，如不同，则代表该FPGA没有经过用户授权，用户逻辑上可以关闭FPGA的逻辑功能甚至可以通过一些手段让硬件损坏。

如何获取FPGA的Device DNA呢，下面我从JTAG和调用源语两个方法说明，并开放核心代码供大家参考。

第一种，通过JTAG获取，这种方法在ISE的Impact或者vivado都可以实现，下面介绍在Vivado下如何或者Device DNA，这个其实很简单，首先板卡通过JTAG连接PC，在Flow Navigator -> PROGRAM AND DEBUG 界面下，点击对应的FPGA的芯片，点击Hardware Device Properties，在search中搜索dna，在REGISTER下可以找到Device DNA，在Impact下如何获取DNA网上有相应的文章，这里就不做进一步介绍。

第二种，用户逻辑通过调用源语获取，至于源语是什么，这里跟大家分享一个技巧，一般我们使用源语的时候，往往记不住大量的源语定义，那么如何快速搜索到我们想要的源语呢，在Vivado中，有一个功能是Language Templates，在Flow Navigator可以找到，里面包含了基本所有的Xilinx提供的源语和一些语法用法，以DNA 读取为例，我们搜索DNA，就可以找到关于DNA的源语，由于博主用的是VU9P的片子，所以用的是DNA_PORTE2这个源语，针对7系列及以前，使用的是DNA_PORT源语，这两个源语都可以在Language Templates找到。

人类大脑和电子设备的接口技术无论是科幻电影还是科技之年的热门话题，都少不了人类和智能设备进行深度融合的场景。

未来可能出现直接通过意念操控计算机，甚至是直接与人工智能进行对话的情景。

这些都离不开人类大脑和电子设备的接口技术。

本文将简述当前的大脑与电子设备的接口技术状况以及未来的发展前景。

一、当前技术状态当前大脑与电子设备的接口技术主要包括：1、脑机接口技术（Brain-computer Interface，BCI）脑机接口技术是将大脑活动信号（如脑电图信号）通过电极采集放大并解码，转换为计算机可接受的信号，进而通过计算机控制外部设备。

目前，脑机接口技术广泛应用于康复、运动控制、教育、游戏等领域。

例如，可以通过脑机接口技术帮助瘫痪患者进行康复训练，帮助大脑残疾儿童进行学习。

2、生物芯片技术生物芯片技术是将微小的生物传感器（如DNA微芯片）置于生物体内，利用微生物信号识别出特定的物质，从而实现疾病的早期检测和治疗。

当前，生物芯片技术主要应用于生物医学领域，例如可以通过生物芯片技术检测某些蛋白质水平从而辅助肿瘤的诊断。

3、神经元芯片技术神经元芯片技术是利用集成电路技术，在芯片上模拟神经元和突触功能，从而实现脑的基本功能。

当前，神经元芯片技术主要用于进行基础医学研究，例如可以通过神经元芯片技术尝试模拟大脑局部的场电位、突触后电位等电生理信号。

二、未来技术发展前景除了以上的现有技术，人类大脑和电子设备的接口技术还有很大的发展前景。

在未来，可能会出现以下的技术：1、光能扫描技术光能扫描技术是基于非接触性的纳米光学技术，可以实现进行脑部成像以及脑部活动分析。

通过光能扫描技术，可以直观的获取脑部的图像、记录脑部活动和结构移动等信息。

这将极大地帮助研究者更好的理解大脑功能结构和脑部疾病的成因，以及更好地设计脑机接口技术。

2、人工智能脑机接口技术人工智能脑机接口技术是基于深度学习技术，将大脑活动信号转化为人工智能可以理解的信息，从而实现人和计算机的交互。

DNA计算机DNA计算机是一种基于DNA生化反应,与传统计算机完全不同的新型生物计算机。

它是利用DNA（脱氧核糖核酸）建立的一种完整的信息技术形式，以编码的DNA序列（通常意义上计算机内存）为运算对象，通过分子生物学的运算操作以解决复杂的数学难题。

1.DNA计算机的原理DNA计算机“输入”的是细胞质中的RNA、蛋白质以及其他化学物质，“输出”的则是很容易辨别的分子信号。

从最早的帕斯卡尔齿轮机到今天最先进的电子计算机，其计算方式都是一种物理性质的符号变换，具体是由“加”和“减”这种基本动作构成的。

然而，目前的DNA计算则有了本质性的变化。

计算不再是一种物理性质的符号变换，而是一种化学性质的符号变换，即不再是物理性质的“加”、“减”操作而是化学性质的切割和粘贴、插入和删除。

这种计算方式的变革是前所未有的。

具有划时代的意义。

DNA分子是一条双螺旋的长链，上面布满了核甘酸，其上拥有四种碱基，分别为：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T），四种核苷酸的组成，相当于四种符号，一连串的A T G C有序的组合在一起形成的序列可以代表数字或信息。

它就像电子计算机通过０和１形成的二进制编一样。

DNA分子通过这些核甘酸的不同排列，能够表达出生物体各种细胞拥有的大量信息。

数学家、生物学家、化学家以及计算机专家从中得到启迪。

他们利用DNA 能够编码信息的特点，先合成具有特定序列的DNA分子，使它们代表要求解的问题，然后通过生物酶的作用（相当于加减乘除运算），使他们相互反应，形成各种组合，最后过滤掉非正确的组合而得到的编码分子序列就是正确答案。

DNA计算机的可行性在于：首先DNA链由四种单核苷酸组成，即一定长度的DNA链完全能完成数据存贮的任务。

如8碱基的DNA单链就有48种可能排列,由此可见DNA单链存贮数据的潜力。

而现代化学技术能人工合成任意序列的DNA，因而完全可以建立代表原始数据库中所有数据的DNA链。

DNA计算机的研究进展DNA计算机是利用生物学材料DNA来进行计算的一种新型计算机，其潜力被认为可以解决当前计算机所面临的瓶颈问题，是未来计算机技术发展的一个方向。

本文将从DNA计算机的定义、原理、应用以及目前研究进展四个方面进行论述。

一、DNA计算机的定义DNA计算机是利用DNA分子的特性，以DNA分子本身的结构与互作关系来实现信息的处理和存储的一种计算机。

DNA计算机不同于传统的计算机，其计算方式是利用DNA分子的细小尺寸和信息编码的特性，可以在极短时间内完成大量的计算，并且在处理大量数据时表现出很好的效率。

同时，DNA计算机还具有极高的并行性和容错性。

二、DNA计算机的原理DNA计算机的运行原理是利用DNA分子的生物信息学特性，以序列匹配、接口配对和核酸杂交为核心的生物分子间相互作用。

其处理方式类似于分子运算、逻辑运算和信息重构。

在DNA计算机中，可以通过DNA模板制作数字模板、逻辑门和计数器等元件，然后通过DNA合成、扩增和高通量测序等技术来实现计算迭代和结果输出。

三、DNA计算机的应用DNA计算机的应用范围目前还比较狭窄，但是其未来的应用前景十分广阔。

目前已有很多科学家在探索DNA计算机在生物传感、药物筛选、DNA编码、DNA计算仿真等方面的应用。

例如，DNA计算机可以在细胞内进行生物信息学计算，能够完成分子诊断、分子治疗和分子检测等任务。

此外，DNA计算机还可以用于数字加密和存储，能够解决当前计算机存储密度和安全问题。

四、DNA计算机研究始于20世纪90年代，目前已有很多科学家和研究者在DNA计算机的软件和硬件领域进行了广泛的研究。

在软件方面，已经开发了许多针对DNA计算机的程序和算法，例如DNA算法、DNA计算机仿真软件、DNA序列比对软件、DNA结构预测软件，这些软件对研究DNA计算机的运算特性有重要的帮助。

在硬件方面，DNA计算机的制造需要利用分子生物学的工具和技术，这也是目前DNA计算机研究的主要难点。

DNA纳米技术的原理与应用DNA是生命的基础之一，它的结构和功能一直备受科学家们的关注。

在30年前，DNA技术已经开创了一片崭新的天地，人类开始能够利用DNA技术来开发新的产品和治疗疾病。

而近年来，随着纳米技术的不断发展，科学家们意识到可以利用DNA分子作为一种新型的纳米材料，从而提出了DNA纳米技术的概念。

本文将介绍DNA纳米技术的原理和应用。

DNA纳米技术的原理DNA单链是由四种碱基(A,T,G,C)组成的，它们之间的作用是互补的，即A和T之间形成两个氢键，G和C之间则形成三个氢键。

这个互补原则不仅是生物学的基础，同时也为DNA纳米技术提供了重要的材料基础。

由于DNA分子具有生物学特性，如化学稳定性、自组装性等等，因此DNA单链可以通过自组装形成各种各样的结构。

这些结构可以是一维的直链、环形或Y形，也可以是二维的晶体或棒状结构，甚至是三维的球形、管状或花环结构。

这些DNA结构在纳米尺度上具有很多优异的物理与化学特性，并且这些结构可以被外部控制与改变。

DNA分子可以通过人工合成而得到，而且可以根据需要实现特定的序列设计。

例如，设计一段可自组装成氢氧化钙晶体的DNA单链，可以作为一种新型的生物无机复合材料。

另外，DNA的特异性使得它可以在生物学和非生物学领域中发挥作用。

DNA纳米技术已经被应用于机器人、纳米电子学、光电学、药物传递等领域。

DNA纳米技术的应用DNA纳米技术的应用涵盖了众多领域，下面我们来仔细探讨以下几个方面的应用。

1. 生物传感器利用生物分子或细胞的特异性，生物传感器可以实现高度灵敏性和选择性，因此在医疗诊断、生化监测等方面具有广泛的用途。

传统的生物传感器需要使用复杂的电路、电极和计算机接口，但是利用DNA纳米技术，这些传感器可以更加便携、简便和灵敏。

例如，利用DNA纳米钩和DNA酶活性计，可以实现病毒和癌细胞的快速检测。

2. 药物传递系统由于DNA分子对生物体表现出优异的生物相容性和生物降解性，因此DNA纳米技术被广泛地应用于药物传递系统。