跳到主要内容
访问密钥 NCBI主页 MyNCBI主页 主要内容 主导航
生物信息学。2011年11月15日；27(22): 3211–3213.
2011年10月7日在线发布。 数字对象标识：10.1093/生物信息学/btr543
预防性维修识别码：项目经理3208393
PMID：21984756

Visual DSD：DNA链置换系统的设计和分析工具

马修·拉金,1 西蒙·尤塞夫,2 菲利波·波罗,1 斯蒂芬·埃莫特,1和安德鲁·菲利普斯1,*
作者信息 文章注释 版权和许可信息 PMC免责声明

摘要

总结：Visual DSD（DNA链置换）工具允许在方便的基于web的图形界面中，使用DNA链置换实现计算设备的快速原型制作和分析。它是DSD编程语言和编译器的实现，由拉金等。(2011)具有其他功能，例如支持无限长的聚合物。它还支持随机和确定性模拟、连续时间马尔可夫链的构建以及各种导出格式，这些格式允许使用第三方工具分析模型。

可利用性：Visual DSD作为基于web的Silverlight应用程序，可用于Windows和Mac OS X上的大多数主要浏览器，网址为http://research.microsoft.com/dna。可以在本地安装以供脱机使用。Windows、Mac OS X和Linux的命令行版本也可以从网页上获得。

联系人： aphillip@microsoft.com

补充信息：补充数据可在生物信息学在线。

1简介

设计和操作合成DNA的新技术使构建日益复杂的生物计算设备成为可能。其中一种技术是DNA链置换(西利格等。, 2006;Zhang和Seelig，2011年)其中互补DNA链之间的杂交是唯一的计算机制。设计新型生物分子计算设备具有实用价值，同时也为理解生物分子信息处理过程中的生命提供了基本见解。随着这些设备的复杂性增加，手工计算DNA物种之间的低水平相互作用变得困难。因此，阻碍这一新兴领域继续发展的主要障碍之一是设计过程中缺乏自动化和抽象。VisualDSD实现了一种特定于域的语言，该语言的语法经过定制，允许在DSD系统中对物种进行简明编码。DSD编程语言在(拉金等。, 2011;菲利普斯和卡德利，2009年). 该系统自动计算物种之间所有可能的反应，提供基于反应的方法的优点，而无需手动构建反应网络。用户可以在编译过程中选择适当的抽象级别，从低级详细视图到高级简化视图。然后可以对设计进行可视化和分析，以消除任何不必要的行为。VisualDSD为涉及数千种正式和中间物种的大规模设计提供了合适的分析工具，如DNA逻辑门(钱和Winfree，2011年)，以及涉及低物种种群的系统，例如堆栈机器的DNA实现(钱等。, 2010).

2方法和实施

2.1编码系统

使用中的语法输入程序代码拉金等。(2011)，如左侧所示图1我们针对DNA链置换的领域特定语言包括对参数化模块的支持，这些模块可以在程序中多次实例化。这鼓励了良好的软件工程实践，如代码重用和模块化设计。特定于特定系统的设置，如默认反应速率和模拟期间绘制的总体，在程序代码中指定。通过图形用户界面可以选择更通用的设置，例如是使用随机模拟还是确定性模拟。输入程序在被传递给编译器之前，会检查DNA物种的类型安全性和格式正确性，尽管可以禁用其中一些检查以允许程序的快速开发。该工具包括各种示例程序和集成教程。网页上有一本手册，其中包含语法的正式定义。

保存图片、插图等的外部文件。对象名为btr543f1.jpg

Visual DSD工具的屏幕截图，左侧是代码输入框，右侧是输出选项卡。屏幕顶部有选择示例程序、调整语义和控制模拟器的选项。所示示例实现了一个简单的传感器门。这个汇编右侧的选项卡显示编译器的输出，在本例中是所有单个反应的可视化。这个模拟选项卡显示随机和确定性模拟的时间进程图和数据表，以及分析选项卡显示了连续时间马尔可夫链的各种表示形式。

2.2编译、模拟和分析

Visual DSD实现中概述的编译方案拉金等。(2011)，具有支持形成DNA聚合物的反应的延伸。用户界面提供了一系列语义规则，这些规则以不同的详细程度形式化了DNA物种之间可能的交互。这提供了很大的灵活性。Visual DSD包括一个使用Gillespie算法的随机模拟器(Gillespie，1977年)在预先计算完整个化学反应网络后生成轨迹。还有一个使用Runge-Kutta-Fehlberg方法的确定性模拟器(费尔伯格，1969年)求解一个常微分方程模型。对于化学反应网络非常大（或无限大，对于聚合物系统）的系统，有一个实时编译器，它允许在随机模拟期间根据需要增量计算反应网络(波列夫等。, 2010). 在某些情况下，这可以显著提高性能。该工具还可以构建和可视化（足够小）系统的连续时间马尔可夫链，这对于单个电路组件的低级调试特别有用。

2.3可视化和导出

VisualDSD使用在拉金等。（2011年). 这些范围从单个DNA物种的结构到单个反应的图形表示（如图右侧所示图1)对整个化学反应网络或连续时间马尔可夫链进行基于图形的可视化。模拟结果绘制为物种种群随时间变化的线形图。还可以绘制关于总体的简单算术函数。该工具还可以输出核苷酸序列，作为构建系统的起点。

数据和模型可以多种格式从VisualDSD导出。化学反应网络可以导出到SBML(哈卡等。, 2003)模拟的时间序列数据可以以CSV格式保存，以便加载到电子表格中。连续时间马尔可夫链可以导出为PRISM概率模型检查器的模型(辛顿等。, 2006). 然后，用户可以将系统属性表示为时序逻辑公式，并使用随机模型检查进行验证(奎亚特科夫斯卡等。, 2007). PRISM还可以对反应动力学进行详细的定量分析。示例查询包括在特定时间内达到给定状态的概率，或由于DNA链之间的干扰而达到不希望的状态的概率。

3讨论

可视化DSD已被用于建模和分析各种DNA链置换装置，包括逻辑门(钱和Winfree，2011年)，神经网络计算(钱等。, 2011)、分叉和连接门(卡德利，2010年)，振荡器(拉金等。, 2011)以及一系列其他设备，包括用于模拟任意化学系统的催化门和方案(Phillips和Cardelli，2009年). 注意，目前不支持发夹、假结和多回路连接等二级结构；然而，其中一些结构，包括发夹，目前正在为将来的版本开发中。我们发现，当从头开始设计新系统时，该工具特别有用，因为可视化使程序调试变得容易。程序代码中对可重用模块的支持使得使用预先设计的组件快速轻松地构建新的、更大的系统。该工具体现了科学的工作流程，通过允许用户在实验室构建系统之前模拟系统，可以提高DNA设备设计和分析的效率和生产力，从而节省时间和实验室资源。它还支持生物信息学对超出当前制造技术水平的系统行为的研究，例如特别大和/或复杂的系统。此外，一旦设计用DSD语言形式化，就可以对其行为的某些方面进行形式验证，例如使用随机模型检查器或定理证明器。我们正在不断开发软件并添加新功能。

致谢

我们感谢Luca Cardelli对可视化DSD语言和工具设计的宝贵反馈。

利益冲突：未声明。

参考文献

  • Cardelli L.双域DNA链置换。作者：Cooper S.B.等人，编辑。2010年DCM会议记录。第26卷。开放出版协会；2010年，第47-61页。EPTCS。[谷歌学者]
  • 费尔伯格E。具有步长控制的低阶经典Runge-Kutta公式及其在一些传热问题中的应用。美国国家航空航天局：技术报告NASA-TR-R-315；1969[谷歌学者]
  • Gillespie D.耦合化学反应的精确随机模拟。物理杂志。化学。1977;81:2340–2361. [谷歌学者]
  • Hinton A.等人，PRISM：概率系统自动验证工具。收录人：Hermanns H.，Palsberg J.，编辑。2006年TACAS会议记录。第3920卷。柏林/海德堡，德国：施普林格；2006年，第441-444页。LNCS公司。[谷歌学者]
  • Hucka M.等人。系统生物学标记语言（SBML）：生化网络模型的表示和交换媒介。生物信息学。2003;9:524–531.[公共医学][谷歌学者]
  • Kwiatkowska M.等人，《随机模型检验》。作者：Bernardo M.，Hillston J.，编辑。2007年SFM会议记录。第4486卷。德国柏林/海德堡：施普林格；2007年，第220–270页。LNCS公司。[谷歌学者]
  • Lakin M.R.等人。DNA电路设计的抽象。J.R.Soc.接口。2011【Epub提前印刷，doi:10.1098/rsif.2011.03432011年7月20日】[PMC免费文章][公共医学][谷歌学者]
  • PaulevéL.等人。随机过程计算的通用抽象机。作者：Quaglia P.，编辑。CMSB 2010年会议记录。美国纽约州纽约市：ACM；2010年，第43–54页。[谷歌学者]
  • Phillips A.，Cardelli L.可组合DNA电路的编程语言。J.R.Soc.接口。2009;6（4） ：S419–S436。 [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者]
  • Qian L.，Winfree E.使用DNA链置换级联放大数字电路计算。科学。2011;332:1196–1201.[公共医学][谷歌学者]
  • Qian L.等人。DNA聚合物的高效图灵通用计算。作者：Sakakibara Y.，Mi Y.，编辑。DNA程序16。第6518卷。柏林/海德堡，德国：施普林格；2010年，第123–140页。计算机科学课堂讲稿。[谷歌学者]
  • 钱磊，等。DNA链置换级联的神经网络计算。自然。2011;475:368–372.[公共医学][谷歌学者]
  • Seelig G.等人。无酶核酸逻辑电路。科学。2006;314:1585–1588.[公共医学][谷歌学者]
  • Zhang D.Y.，Seelig G.使用股置换反应的动态DNA纳米技术。自然化学。2011;三:103–113.[公共医学][谷歌学者]
文章来自生物信息学由以下人员提供牛津大学出版社