2001年至2004年,以色列魏兹曼研究所的Benenson博士提出利用DNA分子构造能够在细胞内自动执行基因诊断治疗的自动机。这种同时植根于传统计算理论和新兴DNA计算理论的全新设想,冲破了传统诊断治疗的理念,将DNA计算带进前所未有的应用空间。在详细分析Benenson自动机模型的基础上,我们认识到仅依靠分子自动机实现“细胞医生”是不够的。现代医学表明,疾病的发生并非单个基因导致,而是许多基因在特定环境下形成复杂的调控网络共同作用的结果。这就决定了“细胞医生”应该从多基因之间的相互作用出发做出相应的诊断。基于这样的考虑,我们在本论文中提出DNA分子自动机网络的概念。在网络中,节点是分子自动机,边是自动机之间的控制关系。而利用分子自动机网络进行诊断类似于医院中的会诊。在本文中,我们提出三种分子自动机网络模型,并将此分子自动机网络应用于模拟基因调控网络中。此工作对于未来建立分子自动机网络的细胞诊断机制具有重要意义。 第二章,我们通过引入II B型限制性内切酶PpiI和一种全新的重复性内切酶识别位点技术RRS,构建出基于DNA计算的分子正向推理模型。整个分子推理过程可以实现自动化,并可扩展应用于实现分子自动机之间多对多的触发式通信中。 第三章,我们通过结合Whiplash PCR技术和脱氧合酶技术实现自动机网络之间的布尔逻辑的调控,这是一种比触发式通信更为复杂而重要的控制机制。此机制可以用于模拟基因网络中基因之间的调控行为。由于分子自动机网络在监控和诊断基因调控行为上具有潜在作用,此项工作对于未来实现体内“分子医生”也具有重要意义。 第四章,在客观分析上面模型优缺点的基础上,我们提出了一种基于Whiplash PCR和RRS的改进的分子自动机网络模型。该模型在DNA实现上除需外界温度控制外无其他人工操作,并且废链可回收再利用,基本实现了自动化运算。在阐述方法之后,我们还针对一个结肠癌局部基因网络构建出用于模拟其内部逻辑调控行为的分子自动机网络,并对此网络中的化学反应进行了数学建模和计算机模拟。根据化学反应动力学的质量作用定律,我们计算了分子自动机网络局部输出信号和系统输出信号的浓度变化及它们各自达峰值所需的时间。此外,我们还着重研究了此实例中双正向反馈环上的反应速率常数对网络动力学的影响。模拟结果显示改进的分子自动机网络模型在原理和生化试验上是可行并且可靠的。