標籤:新型

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(通常意義上計算機內存)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。

1簡介

由於起初的DNA計算要將DNA溶於試管中實現,這種計算機由一堆裝著機液體的試管組成,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」的則是很容易辨別的分子信號。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內一切活動的特徵信息,確定癌細胞等病變細胞以及自動激發微小劑量的治療行 。

2特點

與傳統
DNA計算機

  DNA計算機

的電子計算機相比,DNA計算機有著很多優點:
1)體積小。其體積之小,可同時容納1萬億個此類計算機於一支試管中。
2)存貯量大。1立方米的DNA溶液,可以存貯1萬億億的二進位數據。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,相當於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,僅相當於普通電腦的10億分之一。如果放置在活體細胞內,能耗還會更低。
5)并行性。普通電腦採用的都是以順序執行指令的方式運算,由於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。

3基本原理

機器計算的歷史可以追溯到1641年,當年18歲的法國數學家帕斯卡爾成功地製造了一台齒輪傳動的八位加法計算機。這使人類計算方式、計算技術進入了一個新的階段。后經過人們數百年的艱辛努力,終於在1945年成功地研製出了世界上第一台電子計算機。從此,人類進入了一個全新的計算技術時代。
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號變換,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號變換,而是一種化學性質的符號變換,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、插入和刪除。這種計算方式的變革是前所未有的。具有劃時代的意義。
我們知道,DNA分子是一條雙螺旋的長鏈,上面布滿了「珍珠」即核甘酸,其上擁有四種鹼基,分別為: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(相當於加減乘除運算),使他們相互反應,形成各種組合,最後過濾掉非正確的組合而得到的編碼分子序列就是正確答案。

4研究進展

2011年10月,英國,用細菌研製出生物邏輯門
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別出特異癌細胞,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,可用於診斷疾病、控制藥物釋放,實現診斷治療一體化。
2009年,美國,用大腸桿菌研製成細菌計算機
這種細菌計算機可解決複雜數學問題。且速度遠快於任何以硅基礎的計算機。
2007年,美國,用DNA計算機實現RNA干擾機制
這種DNA計算機可進行基本邏輯工作,能夠應用於人工培養的腎細胞。科學家將源於其他物種的單siRNA分子導入細胞,該DNA計算機能使編譯某種熒光蛋白 的目標基因關閉。
2006年,美國,用DNA計算機快速準確診斷禽流感病毒
這種DNA計算機能夠更快、更準確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軟體分子設計的程序
這種DNA計算機採用了新的溶液處理工藝等技術,能夠運行10億種用DNA軟體分子設計的程序,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后完成,其中包括用雙色熒游標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擬電子計算機處理0,1信號的功能。
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,但它代表著DNA計算機已經邁出科幻時代,並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計算只花了7天時間,令人嘆為觀止,從而開闢了DNA計算機研究的新紀元。
1994年11月,美國計算機科學家L.阿德勒曼(Leonard M. Adleman)用一種非同尋常的方式—DNA方式,解決了一個非常著名問題—哈密爾敦直接路役問題,俗稱「售貨員旅遊問題」。其基本內容是:假定有一個售貨員必須向他經過的每一座城市推銷產品,但是為了節約時間,每座城市他只能途徑一次,路徑不能重複,而且路徑最短,而這個問題就是讓你為這個推銷員設計這樣一條路徑。
隨著城市數目的增加,問題會變的越來越困難。隨著難度的增加,要搜索到正確的路徑就需要更加強大的計算能力,最終會複雜到需要運用目前最先進的超級計算機。當城市數目達到上百個時,即使最快的超級計算機也「望洋興嘆」,計算量可想而知。但是,利用DNA計算,問題迎刃而解。
阿德勒曼教授就是根據DNA分子信息表達的啟發,他巧妙地利用DNA單鏈代表每座城市及城市之間的道路,並為順序編碼;這樣,每條道路「粘性的兩端」就會根據DNA組合的生物化學規則與兩座正確的城市相連。然後,他在試管中把這些DNA鏈的副本混合起來,它們以各種可能組合連接在一起,經過一定時間的一系列的生化反應,便能找出解決問題的唯一答案,即只經過每座城市一次的順序最短的DNA分子鏈。
科學家認為,由於硅工業領域材料尺寸限制,傳統的電子技術在2020年後的某個時候將達到物理極限,因此,尋求新的替代技術具有非同尋常的意義。儘管阿德勒曼的實驗僅僅解決了7座城市的問題,然而這個問題的解決,突破了晶體硅材料的尺寸限制,使傳統的計算方法以前很難解決或根本無法解決的問題將變得輕而易舉,開創了在分子水平進行計算的先例,成為分子計算領域的里程碑。
阿德勒曼的成功,引起世界各國科學家極大關注,1995年,來自各國的200多位有關專家一起進一步探討了DNA計算機的可行性,認為DNA分子間在酶的作用下,某基因代碼通過生物化學的反應可以轉變成為另一種基因代碼,轉變前的基因代碼可以作為輸入數據,反應后的基因代碼作為運算結果。利用這個過程完全可以製造新型的生物計算機。DNA計算技術被認為是代替傳統電子技術的各種新技術中主要候選技術。
2000年,美國威斯康星麥迪遜大學的科學家在簡化和按比例放大這種技術方面邁出了重要一步,他們採取了不同於阿德勒曼和其他先驅者所進行的試管實驗的辦法,把DNA固定到了一塊鍍金的玻璃載片(一種DNA晶元)上。其他研究人員則希望把DNA計算技術送回活的細胞中。在英國,一些科學家開展了在轉基因細胞內部模擬計算機邏輯電路的研究。
2001年11月,以色列科學家成功研製成世界第一台DNA計算機,它的輸出、輸入和軟硬體全由在活性有機體中儲存和處理編碼信息的DNA分子組成。該計算機不過一滴水大小,比較原始,也沒有任何相關應用產生,但這是未來DNA計算機的雛形。次年,研究人員又作了改進,吉尼斯世界記錄稱之為「最小的生物計算設備」。
2002年2月,DNA計算機的研究則更進一步,日本奧林巴斯(Olympus) 公司宣布,該公司與東京大學聯合開發出了全球第一台能夠真正投入商業應用的DNA計算機。他們開發的這種DNA計算機有分子計算組件和電子計算機部件兩部分組成。前者用來計算分子的DNA組合,以實現生化反應,搜索並篩選出正確的DNA結果,後者則可以對這些結果進行分析。據息,今年將正式投入商業化應用。
DNA計算機已經成為當前世界許多國家科研人員研究的熱點之一,而且取得了突破性進展,但主要還處在理論研究和應用探索階段。

5應用前景

人機合一
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,只要有一個介面,DNA計算機通過介面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為基礎的人造智能晶元,未來就像接種疫苗一樣簡單。無疑,DNA計算機的出現將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,有著無限美好的應用前景。
衍生學科
DAN邏輯門、DNA片段

相關評論

同義詞:暫無同義詞