前言

1996年，我正沉浸于用人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）来求解图论中的NP完全问题，如旅行商问题、图着色问题、哈密顿问题等。那时的我希望建立用ANN求解这些难题的快速算法，带领博士研究生们发表了不少相关学术论文。有一天，我的一位博士研究生告诉我，她在图书馆读到一篇发表在 Science 上的文章，文中介绍了利用脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）分子求解有向哈密顿路径问题的方法。我听后很兴奋，认为这可能是求解NP完全问题的一种新途径，一定要学习学习，于是急忙去图书馆将文章复印下来开始阅读。然而，我阅读此文时茫然了——因为我在中学没有学习过生物学课程，所以完全无法理解文中的生物学原理和实验设计。

从那时起，我便下定决心：必须好好学习生物学，在生物计算领域有所作为。于是，我从零开始，先系统地学习了中学的生物学知识，随后深入钻研了分子生物学、生物化学等课程。历经十余年的不懈努力，我在利用DNA计算求解NP完全问题的过程中，已能够自如地独立完成数学计算模型构建、生物实验操作设计、解的检测等关键环节。

过去30余年中，DNA计算经历了从枚举型到非枚举型，再到并行型的演进历程。特别是2002年到2016年间，探针机的提出使得DNA计算取得了突破性的进展。探针机是一种底层全并行数学计算模型，它是在建立图着色DNA计算模型时被发现的，它的出现为计算机科学提供了一个与图灵机不同的新型数学计算模型，此模型也已受到不少学者乃至企业界人士的关注。

本书系统地总结了生物计算领域数十年来全球学者的主要研究成果，主要内容涵盖DNA计算的基础理论、关键技术、实验操作、计算模型以及在各领域的应用实例。本书共分12章。第1章～第4章详细介绍图与计算复杂性、生物计算数据[DNA、核糖核酸（Ribonucleic Acid，RNA）及蛋白质]、生物计算算子（酶与生化操作），以及电泳、聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）等在DNA计算中发挥关键作用的技术和方法，为读者理解DNA计算的运作方式奠定基础。第5章重点阐述DNA编码理论与算法，帮助读者掌握实验设计和操作的要点。第6章～第8章深入探讨枚举型、非枚举型、并行型等多种DNA计算模型的构建思路和优缺点，为解决不同类型的计算问题提供多样化的模型选择。第9章与第10章精选一些DNA计算在密码学、生物信息学、优化问题等领域的应用案例，展示DNA计算的广阔应用前景。第11章与第12章介绍RNA计算与蛋白质计算的相关理论、应用。

本书的系统性、前沿性和实用性较强。系统性体现在对DNA计算领域的知识进行了全方位的梳理和整合，同时也对RNA计算与蛋白质计算做了较详细的介绍，从基础到应用，从理论到实践，构建起一个完整的知识体系。前沿性体现在紧跟当前DNA计算研究的最新进展，如对探针机、DNA自组装等前沿技术进行了深入剖析，能够帮助读者了解和掌握该领域的新动态。实用性则体现在对实验操作步骤的详细描述和对计算模型构建方法的清晰阐释等方面，能够为读者开展相关研究提供切实可行的指导。

在编写方法上，本书采用了理论与实践相结合的方式。首先，结合大量文献资料，对DNA计算的基础理论和关键技术进行了深入研究和系统总结。其次，结合我们在 DNA 计算实验研究中的实践经验，对实验操作步骤和注意事项进行了详细阐述。

本书适合图论与算法、生物信息学、计算机科学、分子生物学等领域的科研人员、高等学校师生以及对生物计算感兴趣的自学者阅读。对科研人员而言，本书可以作为开展 DNA 计算研究的参考书，帮助他们了解该领域的研究动态和技术进展，为他们的科研工作提供新的思路和方法。对高等学校的师生而言，本书适合作为生物计算相关课程的教材或参考书，可帮助学生系统学习DNA计算的基础知识和技能，为今后的学习和研究打下坚实的基础。对自学者而言，本书语言通俗易懂且实例丰富，可帮助他们快速入门并深入理解 DNA计算的精髓。

在阅读本书时，读者须注意以下几点。首先，由于 DNA 计算涉及多学科知识的交叉融合，读者应具备一定的生物学、计算机科学和图论基础，以便更好地理解和掌握书中的内容。其次，本书中的实验操作步骤和计算模型构建方法需要在实践中不断摸索和验证，因此建议读者在阅读时与实际操作相结合，以加深理解和提高应用能力。此外，由于 DNA 计算领域的研究日新月异，读者在阅读过程中应保持开放的心态，积极关注最新的研究进展和技术动态，以便及时更新自己的知识储备。

本书的编写得到了朱恩强、强小利、方刚、寇铮、石晓龙、刘文斌、王燕、陈智华、邵泽辉、张凤月、张凯和陈从周等的大力支持与帮助。本书内容（特别是插图）进行了1年多的持续修改与打磨，凝聚着他们每个人的汗水，在此向他们表示深深的感谢！刘婵娟、刘小青、冷煌等对本书进行了详细校对，在此也向他们表示感谢。最后，感谢人民邮电出版社，感谢贺瑞君等编辑的大力支持，本书得以顺利出版。

由于时间仓促，书中难免存在不足，敬请广大读者批评指正。

衷心希望本书能够为读者提供有价值的知识和启发，推动DNA计算领域的研究和应用不断发展。同时，我也期待与广大读者、同行进行深入交流和探讨，共同为生物计算事业的进步贡献力量。

许进
2025年2月7日于北京