DNA計算機

概念和特點

概括地講，DNA計算機是一種生物形式的計算機。它是利用DNA（脫氧核糖核酸）建立的一種完整的信息技術形式，以編碼的DNA序列（通常意義上計算機内存）為運算對象，通過分子生物學的運算操作以解決複雜的數學難題。由于起初的DNA計算要将DNA溶于試管中實現，這種計算機由一堆裝着有機液體的試管組成，因此有人稱之為“試管電腦”。

DNA計算機“輸入”的是細胞質中的RNA、蛋白質以及其他化學物質，“輸出”的則是很容易辨别的分子信号。在生物醫學應用上，DNA計算機能夠探測和監控基因突變等細胞内一切活動的特征信息，确定癌細胞等病變細胞以及自動激發微小劑量的治療行 。

優點

1）體積小。其體積之小，可同時容納1萬億個此類計算機于一支試管中。

2）存貯量大。1立方米的DNA溶液，可以存貯1萬億億的二進制數據。1立方厘米空間的DNA可儲存的資料量超過1兆片CD容量。

3）運算快。其運算速度可以達到每秒10億次，十幾個小時的DNA計算，相當于所有電腦問世以來的總運算量。

4）耗能低。DNA計算機的能耗非常低，僅相當于普通電腦的10億分之一。如果放置在活體細胞内，能耗還會更低。

5）并行性。普通電腦采用的都是以順序執行指令的方式運算，由于DNA獨特的數據結構，數以億計的DNA計算機可以同時從不同角度處理一個問題，工作一次可以進行10億次運算，即并行的方式工作，大大提高了效率。

此外，DNA計算機能夠使科學觀察與化學反應同步，節省大筆的科研經費。

基本原理

DNA分子是一條雙螺旋的長鍊，上面有四種堿基，分别為：腺瞟呤（A）、鳥瞟呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。DNA分子通過這些核甘酸的不同排列，能夠表達出生物體各種細胞擁有的大量信息。數學家、生物學家、化學家以及計算機專家從中得到啟迪。他們利用DNA能夠編碼信息的特點，先合成具有特定序列的DNA分子，使它們代表要求解的問題，然後通過生物酶的作用（相當于加減乘除運算），使他們相互反應，形成各種組合，最後過濾掉非正确的組合而得到的編碼分子序列就是正确答案。

從最早的帕斯卡爾齒輪機到今天最先進的電子計算機，其計算方式都是一種物理性質的符号變換，具體是由“加”和“減”這種基本動作構成的。然而，目前的DNA計算則有了本質性的變化。計算不再是一種物理性質的符号變換，而是一種化學性質的符号變換，即不再是物理性質的“加”、“減”操作而是化學性質的切割和粘貼、插入和删除。這種計算方式的變革是前所未有的，具有劃時代的意義 。

研究進展

2011年10月，英國，用細菌研制出生物邏輯門

這是有史以來最先進的“生物電路”。 這種生物邏輯門是模塊化的，它們可以被安裝在一起，從而為未來建立更複雜的生物處理器鋪平了道路。

2011年9月，美國，用生物計算機摧毀癌細胞

這種生物計算機能夠進入人類細胞，通過對5種腫瘤特異性分子進行邏輯組合分析識别出特異癌細胞，從而觸發癌細胞的毀滅過程。這一成果為開發出特異的抗癌治療奠定基礎。

2011年7月，以色列，用生物計算機探測多種不同類型分子

這種生物計算機能同時自動探測多種不同類型的分子，可用于診斷疾病、控制藥物釋放，實現診斷治療一體化。

2009年，美國，用大腸杆菌研制成細菌計算機

這種細菌計算機可解決複雜數學問題，且速度遠快于任何以矽基礎的計算機。

2007年，美國，用DNA計算機實現RNA幹擾機制

這種DNA計算機可進行基本邏輯工作，能夠應用于人工培養的腎細胞。科學家将源于其他物種的單siRNA分子導入細胞，該DNA計算機能使編譯某種熒光蛋白的目标基因關閉。

2006年，美國，用DNA計算機快速準确診斷禽流感病毒

這種DNA計算機能夠更快、更準确地檢測西尼羅河病毒和禽流感病毒，以及其他疾病。

2005年，以色列，用DNA計算機運行10億種由DNA軟件分子設計的程序

這種DNA計算機采用了新的溶液處理工藝等技術，能夠運行10億種用DNA軟件分子設計的程序，有潛力覺察到細胞中與多種癌症有關的異常信使RNA，為癌症診斷提供信息。

2004年，中國，第一台DNA計算機在上海交大問世

這種DNA計算機是在以色列魏茨曼研究所的DNA計算機的基礎上進行改進後完成，其中包括用雙色熒光标記對輸入與輸出分子進行同時檢測，用測序儀對自動運行過程進行實時監測，用磁珠表面反應法固化反應提高可控性操作技術等，可在一定程度上完成模拟電子計算機處理0，1信号的功能。

2003年，美國，世界首台可玩遊戲的互動式DNA計算機問世

這種DNA計算機主要以生化酶為計算基礎來運算簡單遊戲。

2000年，以色列，世界上第一台DNA計算機問世

這是世界上第一台成型的DNA計算機，可以解決一些相對複雜的運算問題。在當時它沒有什麼實際用途，但它代表着DNA計算機已經邁出科幻時代，并成為現實中一種初露端倪的技術。

1994年，美國，DNA計算機概念首次提出

科學家用一支裝有特殊DNA的試管，解決了著名的“推銷員問題”：有n個城市，一個推銷員要從其中某一個城市出發，唯一走遍所有城市，再回到他出發的城市，求最短的路線。這個問題在當時即使用最快的半導體來推算，也需要至少兩年以上的時間，但是科學家用DNA計算隻花了7天時間，令人歎為觀止，從而開辟了DNA計算機研究的新紀元 。

應用前景

未來的DNA計算機在研究邏輯、破譯密碼、基因編程、疑難病症防治以及航空航天等領域應用的獨特優勢， 現在電子計算機是望塵莫及，應用前景十分樂觀。比如，DNA計算機的出現，使在人體内、在細胞内運行的計算機研制成為可能，它能夠充當監控裝置，發現潛在的緻病變化，還可以在人體内合成所需的藥物，治療癌症、心髒病、動脈硬化等各種疑難病症，甚至在恢複盲人視覺方面，也将大顯身手。

完全可以想象，一旦DNA計算技術全面成熟，那麼真正的“人機合一”就會實現。因為大腦本身就是一台自然的DNA計算機，隻要有一個接口，DNA計算機通過接口可以直接接受人腦的指揮，成為人腦的外延或擴充部分，而且它以從人體細胞吸收營養的方式來補充能量，不用外界的能量供應。像科幻小說中向大腦植入以DNA為基礎的人造智能芯片，未來就像現象接種疫苗一樣簡單。無疑，DNA計算機的出現将給人類文明帶來一個質的飛躍，給整個世界帶來巨大的變化，有着無限美好的應用前景。

不過，由于受目前生物技術水平的限制，DNA計算過程中，前期DNA分子鍊的創造和後期DNA分子鍊的挑選，要耗費相當的工作量。比如，阿德勒曼的“試管電腦”在幾秒鐘内就得出結果，但是他卻花掉數周的時間去挑選正确的結果。還有，如果實驗中城市數目增加到200個，那麼計算所需的DNA重量将會超過地球的重量。而且數以億計的DNA分子非常複雜，在反應過程中很容易發生變質和損傷，甚至試管壁吸附殘留都可能發生緻命錯誤。因此，DNA計算機真正進入現實生活尚需時日。