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利用DNA链置换反应实现非线性反馈控制器

Implementing Nonlinear Feedback Controllers Using DNA Strand Displacement Reactions.

作者信息

Sawlekar Rucha, Montefusco Francesco, Kulkarni Vishwesh V, Bates Declan G

出版信息

IEEE Trans Nanobioscience. 2016 Jul;15(5):443-454. doi: 10.1109/TNB.2016.2560764. Epub 2016 Apr 29.

DOI:10.1109/TNB.2016.2560764
PMID:27164599
Abstract

We show how an important class of nonlinear feedback controllers can be designed using idealized abstract chemical reactions and implemented via DNA strand displacement (DSD) reactions. Exploiting chemical reaction networks (CRNs) as a programming language for the design of complex circuits and networks, we show how a set of unimolecular and bimolecular reactions can be used to realize input-output dynamics that produce a nonlinear quasi sliding mode (QSM) feedback controller. The kinetics of the required chemical reactions can then be implemented as enzyme-free, enthalpy/entropy driven DNA reactions using a toehold mediated strand displacement mechanism via Watson-Crick base pairing and branch migration. We demonstrate that the closed loop response of the nonlinear QSM controller outperforms a traditional linear controller by facilitating much faster tracking response dynamics without introducing overshoots in the transient response. The resulting controller is highly modular and is less affected by retroactivity effects than standard linear designs.

摘要

我们展示了如何使用理想化的抽象化学反应来设计一类重要的非线性反馈控制器,并通过DNA链置换(DSD)反应来实现。利用化学反应网络(CRN)作为设计复杂电路和网络的编程语言,我们展示了如何使用一组单分子和双分子反应来实现产生非线性准滑模(QSM)反馈控制器的输入-输出动态。然后,可以通过使用基于沃森-克里克碱基配对和分支迁移的链置换机制,将所需化学反应的动力学实现为无酶、由焓/熵驱动的DNA反应。我们证明,非线性QSM控制器的闭环响应通过促进更快的跟踪响应动态而不引入瞬态响应中的超调,优于传统线性控制器。所得控制器具有高度模块化,并且比标准线性设计受追溯效应的影响更小。

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Implementing Nonlinear Feedback Controllers Using DNA Strand Displacement Reactions.利用DNA链置换反应实现非线性反馈控制器
IEEE Trans Nanobioscience. 2016 Jul;15(5):443-454. doi: 10.1109/TNB.2016.2560764. Epub 2016 Apr 29.
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