前言

1996年，我正沉浸于用人工神經網絡（Artificial Neural Network，ANN）來求解圖論中的NP完全問題，如旅行商問題、圖著色問題、哈密頓問題等。那時的我希望建立用ANN求解這些難題的快速算法，帶領博士研究生們發表了不少相關學術論文。有一天，我的一位博士研究生告訴我，她在圖書館讀到一篇發表在Science上的文章，文中介紹了利用脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）分子求解有向哈密頓路徑問題的方法。我聽后很興奮，認為這可能是求解NP完全問題的一種新途徑，一定要學習學習，于是急忙去圖書館將文章復印下來開始閱讀。然而，我閱讀此文時茫然了——因為我在中學沒有學習過生物學課程，所以完全無法理解文中的生物學原理和實驗設計。

從那時起，我便下定決心：必須好好學習生物學，在生物計算領域有所作為。于是，我從零開始，先系統地學習了中學的生物學知識，隨后深入鉆研了分子生物學、生物化學等課程。歷經十余年的不懈努力，我在利用DNA計算求解NP完全問題的過程中，已能夠自如地獨立完成數學計算模型構建、生物實驗操作設計、解的檢測等關鍵環節。

過去30余年中，DNA計算經歷了從枚舉型到非枚舉型，再到并行型的演進歷程。特別是2002年到2016年間，探針機的提出使得DNA計算取得了突破性的進展。探針機是一種底層全并行數學計算模型，它是在建立圖著色DNA計算模型時被發現的，它的出現為計算機科學提供了一個與圖靈機不同的新型數學計算模型，此模型也已受到不少學者乃至企業界人士的關注。

本書系統地總結了生物計算領域數十年來全球學者的主要研究成果，主要內容涵蓋DNA計算的基礎理論、關鍵技術、實驗操作、計算模型以及在各領域的應用實例。本書共分12章。第1章～第4章詳細介紹圖與計算復雜性、生物計算數據[DNA、核糖核酸（Ribonucleic Acid，RNA）及蛋白質]、生物計算算子（酶與生化操作），以及電泳、聚合酶鏈反應（Polymerase Chain Reaction，PCR）等在DNA計算中發揮關鍵作用的技術和方法，為讀者理解DNA計算的運作方式奠定基礎。第5章重點闡述DNA編碼理論與算法，幫助讀者掌握實驗設計和操作的要點。第6章～第8章深入探討枚舉型、非枚舉型、并行型等多種DNA計算模型的構建思路和優缺點，為解決不同類型的計算問題提供多樣化的模型選擇。第9章與第10章精選一些DNA計算在密碼學、生物信息學、優化問題等領域的應用案例，展示DNA計算的廣闊應用前景。第11章與第12章介紹RNA計算與蛋白質計算的相關理論、應用。

本書的系統性、前沿性和實用性較強。系統性體現在對DNA計算領域的知識進行了全方位的梳理和整合，同時也對RNA計算與蛋白質計算做了較詳細的介紹，從基礎到應用，從理論到實踐，構建起一個完整的知識體系。前沿性體現在緊跟當前DNA計算研究的最新進展，如對探針機、DNA自組裝等前沿技術進行了深入剖析，能夠幫助讀者了解和掌握該領域的新動態。實用性則體現在對實驗操作步驟的詳細描述和對計算模型構建方法的清晰闡釋等方面，能夠為讀者開展相關研究提供切實可行的指導。

在編寫方法上，本書采用了理論與實踐相結合的方式。首先，結合大量文獻資料，對DNA計算的基礎理論和關鍵技術進行了深入研究和系統總結。其次，結合我們在DNA計算實驗研究中的實踐經驗，對實驗操作步驟和注意事項進行了詳細闡述。

本書適合圖論與算法、生物信息學、計算機科學、分子生物學等領域的科研人員、高等學校師生以及對生物計算感興趣的自學者閱讀。對科研人員而言，本書可以作為開展DNA計算研究的參考書，幫助他們了解該領域的研究動態和技術進展，為他們的科研工作提供新的思路和方法。對高等學校的師生而言，本書適合作為生物計算相關課程的教材或參考書，可幫助學生系統學習DNA計算的基礎知識和技能，為今后的學習和研究打下堅實的基礎。對自學者而言，本書語言通俗易懂且實例豐富，可幫助他們快速入門并深入理解DNA計算的精髓。

在閱讀本書時，讀者須注意以下幾點。首先，由于DNA計算涉及多學科知識的交叉融合，讀者應具備一定的生物學、計算機科學和圖論基礎，以便更好地理解和掌握書中的內容。其次，本書中的實驗操作步驟和計算模型構建方法需要在實踐中不斷摸索和驗證，因此建議讀者在閱讀時與實際操作相結合，以加深理解和提高應用能力。此外，由于DNA計算領域的研究日新月異，讀者在閱讀過程中應保持開放的心態，積極關注最新的研究進展和技術動態，以便及時更新自己的知識儲備。

本書的編寫得到了朱恩強、強小利、方剛、寇錚、石曉龍、劉文斌、王燕、陳智華、邵澤輝、張鳳月、張凱和陳從周等的大力支持與幫助。本書內容（特別是插圖）進行了1年多的持續修改與打磨，凝聚著他們每個人的汗水，在此向他們表示深深的感謝！劉嬋娟、劉小青、冷煌等對本書進行了詳細校對，在此也向他們表示感謝。最后，感謝人民郵電出版社，感謝賀瑞君等編輯的大力支持，本書得以順利出版。

由于時間倉促，書中難免存在不足，敬請廣大讀者批評指正。

衷心希望本書能夠為讀者提供有價值的知識和啟發，推動DNA計算領域的研究和應用不斷發展。同時，我也期待與廣大讀者、同行進行深入交流和探討，共同為生物計算事業的進步貢獻力量。

許進

2025年2月7日于北京