DNA计算机.doc

DNA计算机科学家发现，脱氧核糖核酸（DNA）有一种特性，能够携带生物体各种细胞拥有的大量基因物质。数学家、生物学家、化学家以及计算机专家从中得到启迪，目前正合作研制未来DNA计算机。这种DNA计算机的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，通过和酶的相互作用，将反应过程进行分子编码，对问题以新的DNA编码形式加以解答。 1995年首次报道科学家用“编程”DNA链解数学难题取得突破。和普通的计算机相比，DNA计算机的优点是体积小，但存储的信息量却超过目前任何计算机。它用于存储信息的空间仅为普通计算机的几兆分之一。其信息可存储在数以兆计的DNA链中。DNA计算机只需几天时间就能完成迄今为止所有计算机曾进行过的任何运算。另外，它所耗费的能量仅为普通计算机的十亿分之一。 DNA计算机的功能之所以强大，就在于每个链本身就是一个微型处理器。科学家能够把10亿个链安排在1000克的水里，每个链都能各自独立进行计算。这意味着DNA计算机能同时“试用”巨大数量的可能的解决方案。而电子计算机对每个解决方案必须自始至终进行计算，直到试用下一个方案为止。 所以，电子计算机和DNA计算机是截然不同的。电子计算机一小时能进行许多次运算，但是一次只能进行一次指令运算。DNA计算机进行一次运算需要大约一小时，但是一次能进行10亿个指令计算。人脑的功能介于两者之间：一小时进行大约10万亿次指令运算。DNA计算机把二进制数翻译成遗传密码的片段，每个片段就是著名双螺旋的一个链。科学家们希望能把一切可能模式的DNA分解出来，并把它放在试管里，制造互补数字链，为解决更复杂的运算提供依据。利用特定的DNA结构DNA核酶可以构建各种DNA分子逻辑门，这为DNA计算机的发展奠定了基础。DNA计算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。据中国科学院消息，中科院上海应用物理研究所的樊春海研究员与上海交通大学Bio-X中心的贺林院士、张治洲教授(现为天津科技大学教授)通过深入的学科交叉与合作，应用DNA核酶研制成功一类新型的“DNA逻辑门”，为发展DNA计算机奠定了基础。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。由于DNA分子具有强大的并行运算和超高的存储能力，DNA计算将可能解决一些电子计算机难以完成的复杂问题，而且也可能在体内药物传输或遗传分析等领域发挥重要作用。虽然DNA计算未来潜力无穷，但是当前仍然有许多瓶颈技术和基础问题需要解决，其中基于DNA分子的逻辑门就是实现DNA计算的一个重要基础。 DNA核酶是一种通过体外进化筛选出来的具有特定酶活性的核酸结构，在该项研究中采用的是具有DNA水解酶活性的DNA核酶。这种具有锤头状结构的核酶可以在铜离子辅助下催化氧化并切割底物DNA。DNA逻辑门即是在这种DNA核酶结构基础上通过模块设计(modular design)研制出来的。输入信号通过特定的生物分子传感可以产生输出信号，从而实现“YES”、“NOT”等逻辑判断，并可以组合成复杂的三输入逻辑门“AND(A, NOT(B), NOT(C)”。“NOT”与“AND(A, NOT(B), NOT(C)”的组合是一套通用运算符号，因此，理论上图灵机的所有运算均可以通过其组合而实现。该逻辑门系统的新特色在于排除以往DNA逻辑门设计中RNA核苷的参与，仅单纯应用DNA分子，从而避免了RNA核苷带来的系统不稳定性。相关研究结果已发表在3月出版的著名化学杂志德国应用化学上(Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 1759.)。 美国科学家最近开发出了一种新型的DNA计算机，它能够通过RNA干扰机制在人类细胞中工作。这意味着人类离生物计算机（Biocomputer）的目标又近了一大步。该研究成果发表于自然生物技术（Nature Biotechnology）上。在最新的研究中，哈佛大学系统生物学中心的生物工程学家Yaakov Benenson和同事设计出一种可进行基本逻辑工作的DNA计算机，并且证实了它能够应用于人工培养的肾细胞。通过将源于其他物种的单个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。尽管生物计算机的数学计算并不很复杂，但它足以让科学家创造出针对特定人体细胞的生物传感器和药物运输系统。Benenson表示，他们下一步的研究将寻找触发细胞内分子生产siRNA的方法。用DNA计算机看病DNA计算机是一种生物形式的计算机。DNA溶液代替了电子芯片，而每个DNA片段本身就是一个微型处理器，它们各自进行计算。与传统电子计算机以“0”和“1”来代表信息不同，在DNA计算机中，信息将以分子代码的形式排列于DNA上，特定的生物酶可充当“软件”来完成所需的各种信息处理工作。当DNA分子间在某种酶的作用下瞬间完成某种生物化学反应时，可以从一种基因代码（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。正是由于它具有惊人的存贮容量和运算速度，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，也可能在体内药物输送或遗传分析等领域发挥重要作用。科学家曾经预言，随着生物工程学的日新月异，一种全新的计算机和全新的计算模式将席卷整个计算机行业，DNA计算机最终将取代传统的电子计算机。然而，十几年过去了，计算机世界并没有发生翻天覆地的变化，难道是DNA计算机止步不前了吗？ DNA计算机产业化浪潮迟迟未兴起13年前，美国南加州大学计算机科学家伦纳德阿德尔曼发现，人类的细胞与计算机在处理和存储信息方面有许多雷同之处，利用现在的生物技术，可以操纵DNA分子链来解决计算问题。他利用DNA分子，解决了一道经典的数学问题。他的这种计算方式获得迅速发展，DNA计算机一度被认为其处理速度可以赶上甚至超过目前的电子计算机。此后，全世界十几个国家和地区的研究人员投身于DNA计算机的研究，一些研究人员还设计了不同的DNA序列来解决其他的数学问题，这种方法甚至被用来破解密码。众多的研究者认为，一场计算机世界的革命即将来临。但是，经过了最近十年来的研究，DNA计算机取代电子计算机的愿望未能实现。阿德尔曼认为，DNA分子的行为不像传统计算机中的电子那样好控制，只有90的分子会按照预计的方式运动，因而会导致无法接受的错误率。这限制了人们去建立一个更大、更快的系统。从2002年开始，阿德尔曼和其他科学家把对DNA的关注转向了建立精确的纳米结构。DNA计算机柳暗花明又一春也许DNA计算机不能代替传统的电子计算机，但是，这种生命编码确实有它自己独特的计算能力。因此，不是所有人都放弃了对DNA计算机的研究，仍有少数的研究人员致力于DNA计算机的研究。当然，他们不是将DNA计算机用于解决复杂的数学问题，而是用于生物系统探测。由于DNA芯片可以检测出基因表达中的变化，因此越来越多的生物学家运用DNA芯片来识别病原体。然而，处理过程非常复杂，往往需要2到3个小时才能得到一个结果。美国哥伦比亚大学的病毒学家乔安妮麦克唐纳在研究中发现，如果采用DNA计算机，那么这项工作可以做得更快一些，因为DNA计算机可以显著地加速辨别病毒和导致疾病的基因标志。目前，麦克唐纳正在与米兰托贾诺维克合作，而后者于2003年开发了一款命名为“MAYA”的DNA计算机，这款计算机可以与人进行互动游戏并保持全胜记录。逻辑门是计算机的核心，现代计算机系统就是由大量逻辑门按照复杂的顺序构成的。同样，基于DNA分子的逻辑门是实现DNA计算的一个重要基础。麦克唐纳正是利用MAYA的逻辑门研制一种新的计算工具。她声称这种工具可以在15分钟内检测出特定序列。通过把不同的逻辑门联合在一起，DNA计算机可以快速地回答出通常需要电子计算机才能分析的问题，因为利用不同的逻辑门可以并行地检测不同的序列，如禽流感病毒样本是否包含足以致命的DNA序列。麦克唐纳还利用一组6个不同的逻辑门，辩认出“西尼罗河”病毒的不同变种，并且找出了它们之间的区别。此外，美国加州大学伯克利分校的化学家们也正在利用DNA计算机进行简单的生物计算。他们开发出一种芯片，可以通过分析人类的基因来寻找疾病信号。他们希望在不久的将来，这项技术能在真正的生命体上试验。DNA计算机在医疗领域应用潜力无限尽管目前DNA计算机还不可能取代电子计算机，但它依然是未来计算机的发展方向之一。科学家认为，不久的将来生物计算机会走出实验室，应用于不同的领域，尤其在病理学和生物医学领域将发挥重要的作用。以色列魏兹曼科学研究院的艾胡得夏皮罗正打算让生物计算机进入病人的细胞。在2004年下半年，他制造了一个叫“DNA医生”的系统。该系统是DNA和酶的混合物，在试管中，可以探测到前列腺癌的信号，并相应地释放出有效的药物。夏