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计算机科学 > 数据结构与算法

arXiv:2507.12699 (cs)
[提交于 2025年7月17日 ]

标题: 计算和界定非热化学系统的平衡浓度

标题: Computing and Bounding Equilibrium Concentrations in Athermic Chemical Systems

Authors:Hamidreza Akef, Minki Hhan, David Soloveichik
摘要: 计算分子复合物的平衡浓度通常在分析上不可行,需要数值方法。 在这项工作中,我们关注聚合物-单体层次,其中不可分割的分子(单体)结合形成复合物(聚合物)。 我们不采用每个聚合物的自由能参数,而是关注所有相互作用保持焓不变的非热力学条件。 这种设置与DNA纳米技术中的强结合(基于域的)区域一致,当链可以以不同方式结合,但总是具有最大总体结合——并且与热力学结合网络(TBNs)模型中的饱和配置一致。 在此背景下,我们开发了一个迭代算法,用于分配聚合物浓度以满足详细平衡,其中目标(期望的)聚合物处于高浓度,而非目标(不需要的)聚合物处于低浓度。 即使没有直接执行,我们的算法也能提供关于非目标聚合物浓度上限的有效见解,将TBN模型中的离散配置的组合论论证与实数值浓度联系起来。 我们最后将该方法应用于减少DNA逻辑和信号传播中的泄漏。 我们的结果为当配置由熵力区分时,平衡浓度的设计和验证提供了一个新框架。
摘要: Computing equilibrium concentrations of molecular complexes is generally analytically intractable and requires numerical approaches. In this work we focus on the polymer-monomer level, where indivisible molecules (monomers) combine to form complexes (polymers). Rather than employing free-energy parameters for each polymer, we focus on the athermic setting where all interactions preserve enthalpy. This setting aligns with the strongly bonded (domain-based) regime in DNA nanotechnology when strands can bind in different ways, but always with maximum overall bonding -- and is consistent with the saturated configurations in the Thermodynamic Binding Networks (TBNs) model. Within this context, we develop an iterative algorithm for assigning polymer concentrations to satisfy detailed-balance, where on-target (desired) polymers are in high concentrations and off-target (undesired) polymers are in low. Even if not directly executed, our algorithm provides effective insights into upper bounds on concentration of off-target polymers, connecting combinatorial arguments about discrete configurations such as those in the TBN model to real-valued concentrations. We conclude with an application of our method to decreasing leak in DNA logic and signal propagation. Our results offer a new framework for design and verification of equilibrium concentrations when configurations are distinguished by entropic forces.
评论: 将发表于DNA31(第31届国际DNA计算与分子编程会议)
主题: 数据结构与算法 (cs.DS) ; 分子网络 (q-bio.MN)
ACM 类: G.2.1; J.2
引用方式: arXiv:2507.12699 [cs.DS]
  (或者 arXiv:2507.12699v1 [cs.DS] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.12699
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: David Soloveichik [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 7 月 17 日 00:26:38 UTC (530 KB)
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