@ 2015.09.06 , 15:00
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DNA构成的有机计算机,能在你体内处理数据

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我们会在大型机里见到DNA吗?

我们千篇一律地想象电子设备是用硅芯片制造的,其中计算机存储和处理用微小电荷表示的二进制零一数码信息。但是它并不一定要是这种方式:在硅的替代品中,有像DNA这样的有机介质。

Leonard Adleman在1994首先演示了DNA计算,他完全用DNA编码和求解了旅行推销员问题,这是一个寻找推销员在假想城市之间旅行的最有效路径的数学问题。

脱氧核糖核酸DNA,能以分子编码序列存储大量信息,这些编码被称为核苷酸,包括胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G),腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)。不同物种遗传密码的复杂性和的巨大差异显示出用CGAT编码能在DNA中存储多少信息,而这种能力可以被用于计算。利用称为核酸分子杂交的结合工艺,DNA分子可以用来处理信息。它使用一条DNA链作为输入,通过转换产生后续DNA链作为输出。

自Adleman实验以来,已经提出许多基于DNA的“电路”来实现如布尔逻辑算术公式、和神经网络计算等计算方法。这种称为分子编程的方法,把计算上的惯用概念和设计应用到适合于处理DNA的纳米尺度方法。

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它是电路,但并不是我们熟知的那种。Caltech/Lulu Qian, CC BY

在这个意义上的“编程” 真正是生物化学过程。所创建的“程序”实际上是选择分子相互作用的方式,以DNA自组装过程实现特定结果,无序的分子集合自发地相互作用,形成所需排列的DNA链。

DNA“机器人”

DNA也能用于控制运动,可以有基于DNA的纳米机械装置。这由Bernard Yurke和同事们在2000年首先实现,他们用DNA链创造了能开合的镊子。后来的实验如2011年Shelley Wickham和同事们牛津Andrew Turberfield实验室演示了可以遍历给定路线的纳米尺度行走机器,完全由DNA制成。

一个可能的应用是,这样的纳米机器人DNA行走器可以沿着轨道边步进边做出决策,并在到达终点时发出信号,表示计算已经完成。正如电子电路是印刷在电路板上的,DNA分子可以用来打印类似的轨道,在DNA砖上排列成逻辑决策树,沿途用酶控制决策分支,导致行走器走上这个或那个轨道。

DNA行走器也可以携带分子货物,因此可以用来在体内运送药物

为什么要用DNA进行计算?

DNA分子有许多吸引人的特性,包括它们的尺寸(2纳米宽度),可编程性和高存储容量——远远大于它们的硅片同行。DNA同时也是多用途、廉价和容易合成的,而且用DNA计算所需的能耗比电力驱动的硅处理器少得多。

它的缺点是速度:它目前需要几个小时来计算四位数字的平方根,传统计算机可以在百分之一秒内完成。另一个缺点是DNA电路是一次性使用的,需要重新建造才能再次运行相同计算。

DNA对于电子电路最大的优点可能是它可以与其生物化学环境相互作用。分子计算涉及识别某些分子的存在或缺失,因此DNA计算的一个自然应用就是把这种可编程性带入环境生物传感领域,或在生物体内递送药物和疗法。

DNA程序已经被投入医学使用,如诊断结核。另一个提议中的应用是以色列魏茨曼科学研究所的Ehud Shapiro编写的针对肿瘤分子的纳米生物学“程序”,被称为“细胞中的医生”。其它的DNA医用程序能针对淋巴细胞(一种白细胞),它是以特定细胞标记物的存在或缺失而定义的,自然可以用真/假布尔逻辑来检测。然而,我们还需要更多努力,才能将智能药物直接注入生物体内

DNA计算的未来

从广义上说,DNA计算具有巨大的未来潜力。它的巨大存储容量、低能耗成本、利用自组装能力的易于制造性、以及它与自然世界的易亲和力,都是进入纳米尺度计算的入口,可能的设计将集成分子和电子元件两者。自诞生以来,该技术已取得飞速进展,已经交付了现场即时诊断和概念验证智能药物——能就治疗类型作出诊断决定。

当然,也有许多挑战需要加以解决,才能使该技术从概念验证前进到真正的智能药物:DNA行走器的可靠性、DNA自组装的鲁棒性、以及改进药物输送。但一个世纪的传统计算机科学研究会有助于通过新的编程语言、抽象、和形式化验证技术来研发DNA计算,这些技术已经革命了硅电路设计,同样能助力有机计算沿着相同路径起飞。

本文译自 The Conversation,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 21+1

  1. 色情魔王的大冒险
    @2 years ago
    2923105

    salesman problem 必须要所谓的quantumn computer 才能在polytime 解决 这个dna方法估计也就是qc一种之一

  2. 2923108

    输入一条DNA,十个月以后输出一大坨DNA。

    [34] XX [0] 回复 [0]
  3. 2923110

    输入一条DNA,十个月以后输出一大坨。

  4. 大叫驴
    @2 years ago
    2923112

    又鲁棒了几EB。。。。

  5. 2923113

    可以输入一千万条DNA。。。吗?

  6. 大叫驴
    @2 years ago
    2923115

    又鲁棒了几EB。。。

  7. 攻城尸
    @2 years ago
    2923116

    真是期待

  8. 2923119

    @大叫驴: 鲁棒性不错嘛

  9. 大叫驴
    @2 years ago
    2923139

    @jimmf: 这技术再加上人工智能,迟早把我们弄到原始社会去

  10. 2923141

    这个小编自己半桶水,没有鉴别文章的能力,也没有能够理解文章技术能力,却总是强行翻译超出自己专业能力的文章,这不是科普,是传播肤浅且错误的认知给大众再进行二次肤浅化。

    [8] XX [11] 回复 [0]
  11. 核桃
    @2 years ago
    2923143

    攻壳机动队既视感。

  12. 谷风
    @2 years ago
    2923154

    未来的个人电脑做成瓶装饮料,其中含有人工制造的微生物。当使用者喝下后,微生物通过血脑屏罩进入大脑,辅助工作学习。能自动搜索信号,个人上网是靠想想就能完成。

  13. 窗子
    @2 years ago
    2923182

    员工:太好了,这样我在工作的时候也可以上网了。
    老板:太好了,这样员工在家也可以工作了。

  14. 2923186

    @sqdd: 麻烦你具体提出相关错误,按煎蛋稿费给你计酬。

    [12] XX [4] 回复 [0]
  15. 核桃
    @2 years ago
    2923208

    攻壳机动队喽。

  16. 爷酥
    @2 years ago
    2923251

    当苦力还行,作计算用途还是免了吧

  17. 吐啊吐地吐了
    @2 years ago
    2923361

    如果可以连接外置硬盘,从此看片不怕被发现。

  18. 体育老师
    @2 years ago
    2923390

    能打LoL吗

  19. 哇哈瓦哈
    @2 years ago
    2923543

    呵呵 等算出有用的东西 这些DNA都他妈会走路啦

  20. Uniling
    @2 years ago
    3000608

    從這篇文章中,明白一個道理:學計算機,只學數學是不行的。還要學好物化生,或曰:跟着上帝學編程。

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