DNA计算机

生物形式的计算机

DNA计算机是一种生物形式的计算机。它是利用DNA（脱氧核糖核酸）建立的一种完整的信息技术形式，以编码的DNA序列（通常意义上计算机内存）为运算对象，通过分子生物学的运算操作以解决复杂的数学难题。

简介

由于起初的DNA计算要将DNA溶于试管中实现，这种计算机由一堆装着有机液体的试管组成，因此有人称之为“试管电脑”。

DNA计算机“输入”的是细胞质中的RNA、蛋白质以及其他化学物质，“输出”的则是很容易辨别的分子信号。在生物医学应用上，DNA计算机能够探测和监控基因突变等细胞内一切活动的特征信息，确定癌细胞等病变细胞以及自动激发微小剂量的治疗行。

特点介绍

与传统的电子计算机相比，DNA计算机有着很多优点，比如：

（1）体积小。其体积之小，可同时容纳1万亿个此类计算机于一支试管中。

（2）存贮量大。1立方米的DNA溶液，可以存贮1万亿亿的二进制数据。1立方厘米空间的DNA可储存的资料量超过1兆片CD容量。

（3）运算快。其运算速度可以达到每秒10亿次，十几个小时的DNA计算，相当于所有电脑问世以来的总运算量。

（4）耗能低。DNA计算机的能耗非常低，仅相当于普通电脑的10亿分之一。如果放置在活体细胞内，能耗还会更低。

（5）并行性。普通电脑采用的都是以顺序执行指令的方式运算，由于DNA独特的数据结构，数以亿计的DNA计算机可以同时从不同角度处理一个问题，工作一次可以进行10亿次运算，即并行的方式工作，大大提高了效率。

此外，DNA计算机能够使科学观察与化学反应同步，节省大笔的科研经费。

基本原理

机器计算的历史可以追溯到1641年，当年18岁的法国数学家帕斯卡尔成功地制造了一台齿轮传动的八位加法计算机。这使人类计算方式、计算技术进入了一个新的阶段。后经过人们数百年的艰辛努力，终于在1946年成功地研制出了世界上第一台电子计算机（ENIAC全称为Electronic Numerical Integrator And Computer,即电子数字积分计算机）。从此，人类进入了一个全新的计算技术时代。

从最早的帕斯卡尔齿轮机到今天最先进的电子计算机，其计算方式都是一种物理性质的符号变换，具体是由“加”和“减”这种基本动作构成的。然而，目前的DNA计算则有了本质性的变化。计算不再是一种物理性质的符号变换，而是一种化学性质的符号变换，即不再是物理性质的“加”、“减”操作而是化学性质的切割和粘贴、插入和删除。这种计算方式的变革是前所未有的。具有划时代的意义。

我们知道，DNA分子是一条双螺旋的长链，上面布满了“珍珠”即核苷酸，其上拥有四种碱基，分别为：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。DNA分子通过这些核苷酸的不同排列，能够表达出生物体各种细胞拥有的大量信息。数学家、生物学家、化学家以及计算机专家从中得到启迪。他们利用DNA能够编码信息的特点，先合成具有特定序列的DNA分子，使它们代表要求解的问题，然后通过生物酶的作用（相当于加减乘除运算），使他们相互反应，形成各种组合，最后过滤掉非正确的组合而得到的编码分子序列就是正确答案。

研究进展

2011年10月，英国，用细菌研制出生物逻辑门

这是有史以来最先进的“生物电路”。这种生物逻辑门是模块化的，它们可以被安装在一起，从而为未来建立更复杂的生物处理器铺平了道路。

2011年9月，美国，用生物计算机摧毁癌细胞

这种生物计算机能够进入人类细胞。通过对5种肿瘤特异性分子进行逻辑组合分析识别出特异癌细胞，从而触发癌细胞的毁灭过程。这一成果为开发出特异的抗癌治疗奠定基础。

2011年7月，以色列，用生物计算机探测多种不同类型分子

这种生物计算机能同时自动探测多种不同类型的分子，可用于诊断疾病、控制药物释放，实现诊断治疗一体化。

2009年，美国，用大肠杆菌研制成细菌计算机

这种细菌计算机可解决复杂数学问题。且速度远快于任何以硅基础的计算机。

2007年，美国，用DNA计算机实现RNA干扰机制

这种DNA计算机可进行基本逻辑工作，能够应用于人工培养的肾细胞。科学家将源于其他物种的单siRNA分子导入细胞，该DNA计算机能使编译某种荧光蛋白的目标基因关闭。

2006年，美国，用DNA计算机快速准确诊断禽流感病毒

这种DNA计算机能够更快、更准确地检测西尼罗河病毒和禽流感病毒，以及其他疾病。

2005年，以色列，用DNA计算机运行10亿种由DNA软件分子设计的程序

这种DNA计算机采用了新的溶液处理工艺等技术，能够运行10亿种用DNA软件分子设计的程序，有潜力觉察到细胞中与多种癌症有关的异常信使RNA。为癌症诊断提供信息。

2004年，中国，第一台DNA计算机在上海交大问世

这种DNA计算机是在以色列魏茨曼研究所的DNA计算机的基础上进行改进后完成，其中包括用双色荧光标记对输入与输出分子进行同时检测，用测序仪对自动运行过程进行实时监测，用磁珠表面反应法固化反应提高可控性操作技术等，可在一定程度上完成模拟电子计算机处理0，1信号的功能。

2003年，美国，世界首台可玩游戏的互动式DNA计算机问世

这种DNA计算机主要以生化酶为计算基础来运算简单游戏。

2002年2月，DNA计算机的研究则更进一步，日本奥林巴斯（Olympus）公司宣布，该公司与东京大学联合开发出了全球第一台能够真正投入商业应用的DNA计算机。他们开发的这种DNA计算机有分子计算组件和电子计算机部件两部分组成。前者用来计算分子的DNA组合，以实现生化反应，搜索并筛选出正确的DNA结果，后者则可以对这些结果进行分析。据息，今年将正式投入商业化应用。

2001年11月，以色列科学家成功研制成世界第一台DNA计算机，它的输出、输入和软硬件全由在活性有机体中储存和处理编码信息的DNA分子组成。该计算机不过一滴水大小，比较原始，也没有任何相关应用产生，但这是未来DNA计算机的雏形。次年，研究人员又作了改进，吉尼斯世界记录称之为“最小的生物计算设备”。

2000年，以色列，世界上第一台DNA计算机问世

这是世界上第一台成型的DNA计算机，可以解决一些相对复杂的运算问题。在当时它没有什么实际用途，但它代表着DNA计算机已经迈出科幻时代，并成为现实中一种初露端倪的技术。

2000年，美国威斯康星麦迪逊大学的科学家在简化和按比例放大这种技术方面迈出了重要一步，他们采取了不同于阿德勒曼和其他先驱者所进行的试管实验的办法，把DNA固定到了一块镀金的玻璃载片（一种DNA芯片）上。其他研究人员则希望把DNA计算技术送回活的细胞中。在英国，一些科学家开展了在转基因细胞内部模拟计算机逻辑电路的研究。

1994年，美国，DNA计算机概念首次提出

科学家用一支装有特殊DNA的试管，解决了著名的“推销员问题”：有n个城市，一个推销员要从其中某一个城市出发，走遍所有城市，再回到他出发的城市，求最短的路线。这个问题在当时即使用最快的半导体来推算，也需要至少两年以上的时间，但是科学家用DNA计算只花了7天时间，令人叹为观止，从而开辟了DNA计算机研究的新纪元。

1994年11月，美国计算机科学家L.阿德勒曼（Leonard M. Adleman）用一种非同寻常的方式—DNA方式，解决了一个非常著名问题—哈密尔敦直接路役问题，俗称“售货员旅游问题”。其基本内容是：假定有一个售货员必须向他经过的每一座城市推销产品，但是为了节约时间，每座城市他只能途径一次，路径不能重复，而且路径最短，而这个问题就是让你为这个推销员设计这样一条路径。

随着城市数目的增加，问题会变的越来越困难。随着难度的增加，要搜索到正确的路径就需要更加强大的计算能力，最终会复杂到需要运用目前最先进的超级计算机。当城市数目达到上百个时，即使最快的超级计算机也“望洋兴叹”，计算量可想而知。但是，利用DNA计算，问题迎刃而解。

阿德勒曼教授就是根据DNA分子信息表达的启发，他巧妙地利用DNA单链代表每座城市及城市之间的道路，并为顺序编码；这样，每条道路“粘性的两端”就会根据DNA组合的生物化学规则与两座正确的城市相连。然后，他在试管中把这些DNA链的副本混合起来，它们以各种可能组合连接在一起，经过一定时间的一系列的生化反应，便能找出解决问题的答案，即只经过每座城市一次的顺序最短的DNA分子链。

科学家认为，由于硅工业领域材料尺寸限制，传统的电子技术在2020年后的某个时候将达到物理极限，因此，寻求新的替代技术具有非同寻常的意义。尽管阿德勒曼的实验仅仅解决了7座城市的问题，然而这个问题的解决，突破了晶体硅材料的尺寸限制，使传统的计算方法以前很难解决或根本无法解决的问题将变得轻而易举，开创了在分子水平进行计算的先例，成为分子计算领域的里程碑。

阿德勒曼的成功，引起世界各国科学家极大关注，1995年，来自各国的200多位有关专家一起进一步探讨了DNA计算机的可行性，认为DNA分子间在酶的作用下，某基因代码通过生物化学的反应可以转变成为另一种基因代码，转变前的基因代码可以作为输入数据，反应后的基因代码作为运算结果。利用这个过程完全可以制造新型的生物计算机。DNA计算技术被认为是代替传统电子技术的各种新技术中主要候选技术。

DNA计算机已经成为当前世界许多国家科研人员研究的热点之一，而且取得了突破性进展，但主要还处在理论研究和应用探索阶段。

应用前景

独特优势

未来的DNA计算机在研究逻辑、破译密码、基因编程、疑难病症防治以及航空航天等领域应用的独特优势，现在电子计算机是望尘莫及，应用前景十分乐观。比如，DNA计算机的出现，使在人体内、在细胞内运行的计算机研制成为可能，它能够充当监控装置，发现潜在的致病变化，还可以在人体内合成所需的药物，治疗癌症、心脏病、动脉硬化等各种疑难病症，甚至在恢复盲人视觉方面，也将大显身手。

人机合一

完全可以想象，一旦DNA计算技术全面成熟，那么真正的“人机合一”就会实现。因为大脑本身就是一台自然的DNA计算机，只要有一个接口，DNA计算机通过接口可以直接接受人脑的指挥，成为人脑的外延或扩充部分，而且它以从人体细胞吸收营养的方式来补充能量，不用外界的能量供应。像科幻小说中向大脑植入以DNA为基础的人造智能芯片，未来就像接种疫苗一样简单。无疑，DNA计算机的出现将给人类文明带来一个质的飞跃，给整个世界带来巨大的变化，有着无限美好的应用前景。

水平限制

不过，由于受目前生物技术水平的限制，DNA计算过程中，前期DNA分子链的创造和后期DNA分子链的挑选，要耗费相当的工作量。比如，阿德勒曼的“试管电脑”在几秒钟内就得出结果，但是他却花掉数周的时间去挑选正确的结果。还有，如果实验中城市数目增加到200个，那么计算所需的DNA重量将会超过地球的重量。而且数以亿计的DNA分子非常复杂，在反应过程中很容易发生变质和损伤，甚至试管壁吸附残留都可能发生致命错误。因此，DNA计算机真正进入现实生活尚需时日。

当前，世界许多国家包括我国的科学家正在积极克服和解决上述难题，预计10至20年后，DNA计算机将进入实用阶段。

衍生学科

DNA逻辑门、DNA片段

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