DNA计算机

概念和特点

概括地讲，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。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 。

优点

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

DNA分子是一条双螺旋的长链，上面有四种碱基，分别为：腺瞟呤（A）、鸟瞟呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。DNA分子通过这些核甘酸的不同排列，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。

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 。

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。

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。

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，唯一走遍所有城市，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 。

应用前景

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。

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，未来就像现象接种疫苗一样简单。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。

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。