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http://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1007/3034| Modelos de inferencia y circuitos lógicos basados en desplazamiento de hebras de ADN Models for inference and logic circuits based on DNA strand displacement | |
| NELSON EMMANUEL ORDOÑEZ GUILLEN | |
| Israel Marck Martínez Pérez | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución | |
| Programación lógica, circuitos lógicos, desplazamiento de hebras de ADN, reacciones catalíticas, escalabilidad Logic programming, logic circuits, DNA strand displacement, catalytic reactions, scalability | |
| La alta predictibilidad y especificidad de las interacciones de emparejamiento entre bases nitrogenadas postuladas por Watson y Crick, ha dado paso al nacimiento de la nanotecnología dinámica del ADN. Dentro de esta área, uno de los mecanismos de reacción que ha sido de particular interés es el desplazamiento de hebras. La programabilidad, relativa simpleza y versatilidad de sus primitivas, ha permitido el desarrollo de una variedad de dispositivos entre los que se cuentan: compuertas lógicas, motores, caminadores de ADN y artefactos de cerradura. En la presente investigación estamos interesados en dos aplicaciones: mecanismos de razonamiento lógico y circuitos lógicos. Como objetivo primario se plantea el diseño de dispositivos capaces de generar rutas de inferencia lógica que funcionen catalíticamente. En este contexto, inspirados en uno de los principales enfoques del estado del arte en programación lógica biomolecular, se introduce un esquema de codificación de hechos, reglas y consultas. Con base en esta codificación, se implementan rutas de inferencia, realizando procedimientos de encadenamiento hacia adelante y hacia atrás. Las reacciones que hacen posible estos razonamientos proceden de manera catalítica, aprovechando el mecanismo de desplazamiento de hebras con intercambio de puntos de apoyo. Esta idea se basa en reacciones de repostaje, en donde una molécula desechable se intercambia por una señal útil, preservando así su disponibilidad para reaccionar múltiples veces. Para evaluar el comportamiento cinético de los diseños propuestos, se realizan simulaciones deterministas y estocásticas de los modelos bioquímicos. Los resultados muestran un desempeño superior en el esquema catalítico comparado con su contraparte no catalítica. Por otro lado, como objetivo secundario de este trabajo, se aborda el asunto de la escalabilidad en la implementación de circuitos lógicos con compuertas sube-baja. Para ello, se propone el uso de dos puntos de apoyo en dichas compuertas para distinguir señales en estado alto (“1” lógico) de las señales en estado bajo (“0” lógico), en la lógica de doble carril. Además de la ventaja inmediata de usar la mitad de secuencias con esta modificación, se produce una segmentación en los circuitos que disminuye las reacciones no productivas aproximadamente a la mitad. Como consecuencia, el desempeño cinético del esquema propuesto resulta más eficiente que el original, aumentando además a medida que la complejidad de los circuitos se ... The high predictability and specificity of DNA Watson-Crick base pairing have enabled the advent of dynamic DNA nanotechnology. Within this research area, the DNA strand displacement reaction mechanism has increasingly attracted the interest. The programmability and relative simplicity along with the versatility of its primitives, have allowed the development of a variety of devices, such as logic gates, motors, DNA walkers, and lock mechanisms. In this research, we are interested in two applications: the implementation of logic reasoning mechanisms and logic circuits. As a primary objective, this work tackles the design of devices capable of generating catalytic inference paths. In this context, inspired by the main state-of-the-art work in biomolecular logic programming, we introduce a novel codification scheme for facts, rules, and queries. Based on this encoding, inference paths are implemented by following backward-and forward-chaining procedures. The reactions that make these reasonings posible proceed in a catalytic fashion, harnessing the toehold exchange strand displacement mechanism. The key idea relies on fueling reactions, where disposable molecules are interchanged with useful signals, preserving their availability to react multiple times. To evaluate the kinetic behavior of the proposed designs, deterministic and stochastic simulations of biochemical models were carried out. Results show the enhanced performance of the catalytic scheme against its non-catalytic counterpart. On the other hand, as a secondary objective, this work addresses the issue of scalability in the implementation of see-saw gates. To this end, we propose the use of two toeholds in such gates, to encode high (“1”) signals separately from low (“0”) ones, within dualrail logic. In addition to the immediate advantage of reducing the required recognition domain sequences by half, this modification produces a virtual segmentation in the circuits, curtailing time-consuming unproductive reactions to roughly half. As a consequence, the kinetic behavior of the modified scheme shows a more efficient performance when compared with the original, and this improvement increases along with the complexity of the circuits. | |
| CICESE | |
| 2019 | |
| Tesis de doctorado | |
| Español | |
| Ordóñez Guillén, N.E. 2019. Modelos de inferencia y circuitos lógicos basados en desplazamiento de hebras de ADN. Tesis de Doctorado en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 124 pp. | |
| DISEÑO LÓGICO | |
| Aparece en las colecciones: | Tesis - Ciencias de la Computación |
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|---|---|---|---|---|
| Tesis_Ordoñez Guillén Nelson Emmanuel_20_nov_2019.pdf | Versión completa de la tesis | 17.82 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |