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DNA逻辑门：通向未来分子计算机 |
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| http://cn.newmaker.com
4/13/2006 11:50:00 AM
佳工机电网
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计算机在近几十年内的发展速度令人瞠目。然而目前集成电路的密度已接近理论极限，所以，人们开始在不断寻找新的计算机结构。
最近，上海交通大学Bio-X中心与中科院上海应用物理研究所的研究人员通过深入的学科交叉与合作，应用DNA核酶成功研制一类新型的“DNA逻辑门”。相关研究结果已发表在日前出版的著名化学杂志《德国应用化学》上。
DNA分子计算机是公认的下一代计算机，而DNA逻辑门可能是实现DNA计算机的基础。
———DNA计算机———硅芯片将到达极限
在计算机世界里，硅是制造芯片的材料之王。然而，基于硅材料的传统电子计算机将在未来一二十年内达到物理极限，因此必须要找到更好的替代物。专家普遍认为，DNA分子计算机有可能解决电子计算机发展中遇到的瓶颈问题，是未来计算机发展方向之一。
“DNA计算机是一种生物形式的计算机，是计算机科学和分子生物学相结合而发展起来的新兴研究领域。”中科院上海应用物理研究所的樊春海研究员介绍说。
DNA计算、存储能力惊人
与电子计算机以二进制的0和1两个数字进行数据存储不同，DNA计算机通过组成DNA分子的A、G、C、T四种核苷酸的排列来编码信息，特定的生物酶可充当“软件”，使DNA分子完成某种生物化学反应，从一种基因代码（即反应前的输入数据）变为另一种基因代码（即反应后的输出数据）。
DNA计算机以核苷酸为内存，具有超大规模并行结构。其最大的优点在于惊人的存贮容量和运算速度。1立方米的DNA溶液，可存储1万亿亿的二进制数据。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。因此，未来计算机的芯片和磁盘都可以用DNA溶液来代替。而且，DNA计算消耗的能量非常小，只有电脑的10亿分之一。
正是由于DNA计算机具有强大的并行运算和超高的存储能力，DNA计算机将可能解决一些电子计算机难以完成的复杂问题，也可能在体内药物传输或遗传分析等领域发挥重要作用。
———发展现状———逻辑门是计算机的核心
“我们用DNA核酶设计一些新型的逻辑门，并且已经可以通过模块化设计组合成更复杂的逻辑门。从发展前景看，逻辑门可以形成复杂的系统，最后组成DNA计算机。”樊春海说。
现代计算机系统是由大量逻辑门按照复杂的顺序构成的。逻辑门之间传递的是0和1的信号。
“计算机采用的都是二进制，这是因为其运算单元，不管是以前的电子管，或是现在的集成电路，都只有两个状态：‘有电流’和‘没有电流’。有电流通过的运算单元被视为1，没电流通过的被视为0。如果依序查看计算机中的运算单元，就会得到一大串0和1的组合。”樊春海介绍。
而这一大串数字经过电脑的排列组合及筛选后，就构成了现在使用的计算机系统。
核酶构建DNA逻辑门
那么，如何用DNA核酶构建逻辑门，使其产生0和1的二进制信号？
DNA核酶很特殊，具有锤头状结构，一方面它本身属于DNA，另一方面，它又具有酶的功能，可以水解DNA。
“这是比较有意思的，在生物体中，酶通常都是蛋白质，DNA核酶却具有酶的功能。”樊春海说。
DNA核酶可以切割DNA，这样就可以产生信号。规定切断DNA为1，不切就为0。樊春海介绍：“在铜离子辅助下，我们用DNA核酶切割底物DNA。通过特定的生物分子传感，可以产生输出信号，从而实现“是”、“非”等逻辑判断。
这些基础的逻辑门可以组合成通用运算符号，理论上计算机的所有基础运算均可以通过其组合而实现。
不含RNA的逻辑门更加稳定
“在国际上，用DNA核酶设计逻辑门以前就有了，但是DNA核酶中必须要含有RNA核苷，而我们用的是纯粹的DNA。”樊春海说。
含有RNA的逻辑门不稳定，因为RNA很容易被一种RNA酶分解掉。这种酶是一种蛋白质，在生物体中无处不在。有一个很形象的说法，当把一只手从一碗水的表面滑过，那么水中就有可能存在从手上掉下的RNA酶。
而由纯DNA逻辑门组成的系统不容易崩溃，这正是这项研究创新之处。
———面临问题———
“基于核酶的逻辑门已经引起了研究者的广泛关注，然而这种逻辑门能否成为未来DNA计算机的基础还存在很多难以解决的关键性问题。”樊春海说。
目前的分子生物学技术尚不能完全达到这些分子尺度运算的要求。例如常规DNA重组技术中的分子连接效率远远低于DNA计算机的要求，这往往成为错误运算的来源。另外，现代的电子计算机是芯片化、集成电路型的。如何能够将DNA逻辑门从试管型转换为芯片型从而更有可能成为真正的计算机，这是一个很大的难题。还有，目前的DNA逻辑门或计算机的输入输出信号主要是通过分子生物学操作（如电泳）或荧光阅读器来实现的。与电子计算机中通过电信号进行通讯相比，它的传输效率显然比较慢，这也是将来需要解决的问题。除此之外还存在生物操作的困难，如轻微的振荡就会使DNA断裂，有些DNA会粘在试管壁、抽筒尖上，从而在计算中容易丢失等。
———专家观点———
樊春海（中科院上海应用物理研究所研究员）：
DNA计算是电子计算机发展到一定程度之后提出的。现在的电子计算机已经发展得很成熟，再想发展就遇到瓶颈问题，这就是所谓的量子极限。集成电路做的越小，计算机的运算速度越快，但现在的计算机芯片加工已经接近极限。
另外，现代一些研究需要的计算量非常大，用目前的电子计算机去计算，可能需要天文时间，但如果用DNA计算机却有可能很快解决。例如哈米尔顿的路径问题，它因19世纪爱尔兰数学家WilliamRowanHamilton提出而得名。问题是这样的：给出一系列任意的城市，每次只经过一个城市，连接所有城市的最短路径是哪一条？如果城市的数目较少，这个问题容易解决。不过，随着城市数目的增加，问题也就越来越难以解决。若有30个城市，那么将会有超过上亿种可能的答案。倘若有100个城市呢？它将使最快的超级计算机耗费上亿年的时间去计算。
现在，DNA计算机还有一个很大的用途，它可以控制体内的药物传输。现在有一种反义核酸，是治疗癌症以及其他重大疾病的很有希望的药物，它的缺点是在体内很难定向。如果在反义核酸上接上DNA计算机，就可以在DNA计算机的控制下，自动识别癌细胞，这就有效地治疗了疾病。
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