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http://hdl.handle.net/1843/ESBF-BA8NS3
Tipo: | Dissertação de Mestrado |
Título: | Design de Circuitos Lógicos Baseados em DNA Visando a Síntese de Sistemas Computacionais |
Autor(es): | Daniel Kneipp de Sá Vieira |
Primeiro Orientador: | Omar Paranaiba Vilela Neto |
Primeiro Coorientador: | Marcos Viero Guterres |
Primeiro membro da banca : | Liza Figueiredo Felicori Vilela |
Segundo membro da banca: | Gisele Lobo Pappa |
Terceiro membro da banca: | Marcos Viero Guterres |
Resumo: | Computação com DNA é um dos ramos da computação molecular que vem sendo usado nos últimos anos para desenvolver dispositivos implantados in-vitro e in-vivo ou até mesmo substituir a tecnologia CMOS em algumas aplicações. Utilizando a técnica conhecida como reação de deslocamento de cadeia, fragmentos de DNA são combinados e manipulados de forma programática seguindo uma certa lógica. Este modelo de computação permite implementar fisicamente comportamentos teorizados por meio da linguagem das redes de reações químicas (CRNs), a qual descreve textualmente a cinética de uma rede de reações. Com uma linguagem para descrever dispositivos baseados em DNA, modelagens de estruturas base e elementos de baixo nível para desenvolvimento de circuitos são definidos, aumentando consideravelmente a complexidade dos dispositivos e, por consequência, se torna mais difícil simula-los. Neste trabalho um pacote para simulação de dispositivos de DNA de larga escala é apresentado. Chamado de DNAr, este pacote foi desenvolvido para simular tanto CRNs formais (redes de reações teóricas) quanto as CRNs de DNA (reações que representam interações entre moléculas de DNA). Este pacote também é capaz de transformar uma CRN formal em uma CRN de DNA sem intervenção do usuário. CRNs clássicas (e.g.: Oscilador Lotka-Volterra, Consensus, etc.) foram utilizadas para validar o simulador. Dois estudos de caso foram desenvolvidos de forma a validar e exemplificar a capacidade de expansão do DNAr. Os estudos de caso se baseiam em duas abordagens de construção de portas lógicas químicas. Uma modela portas lógicas diretamente e a outra possui neurônios químicos como elemento base. As duas abordagens foram implementadas como extensões do DNAr e podem ser utilizadas para o desenvolvimento de outros circuitos. Um circuito lógico que detecta células cancerígenas foi utilizado como circuito alvo a ser implementado pelas duas abordagens. Os resultados mostraram que as duas abordagens alcançaram o comportamento desejado. O fato de se ter gerado CRNs com mais de 200 reações (podendo chegar próximo de 400) indica a necessidade do uso de uma ferramenta como o DNAr. |
Abstract: | DNA computing is one of the branches of molecular computing that has been used in recent years to develop devices implanted in-vitro, in-vivo or even replace the CMOS technology in some applications. Using a technique known as Strand Replacement Reaction. DNA strands are combined and manipulated in programmatic fashion following a certain logic. This computing model allows us to implement physically theoretical behaviors specified using the Chemical Reaction Networks (CRNs) language, which textually describes the reaction network kinetics. With a language to describe DNA-based devices, building blocks for circuitry development are defined, increasing considerably the complexity of the device and, consequently, simulate these devices becomes difficult. In this dissertation a simulation package for large scale DNA-based devices is presented. It is called DNAr and it was developed to simulate formal CRNs (theoretical reaction networks) and DNA-based CRNs (reactions that represent interactions between DNA molecules). This package also is capable of transforming a formal CRN to a DNA-based CRN without user interference. Well-known CRNS (e.g.: Lotka-Volterra oscillator, Consensus, etc.) were used to validate the simulator. Two case studies were conducted in order to validate and exemplify the DNAr expansion capabilities. These case studies are based on two approaches of chemical logic gates construction. One of them models a logic gate directly while the other has chemical neurons as it building block. Both approaches were implemented as DNAr extensions and they can be used to design other circuits. A logic circuit capable of detecting cancer cells was used as the target circuit to be implemented by these approaches. The results show that both approaches achieved the desired behavior. The fact that CRNs with 200 to 400 reactions were generated indicates the need of a tool such as DNAr |
Assunto: | Computação com DNA Computação Nanocomputação |
Idioma: | Português |
Editor: | Universidade Federal de Minas Gerais |
Sigla da Instituição: | UFMG |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
URI: | http://hdl.handle.net/1843/ESBF-BA8NS3 |
Data do documento: | 13-Jun-2018 |
Aparece nas coleções: | Dissertações de Mestrado |
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