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DNA构成的有机计算机,能在你体内处理数据

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。

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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。


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和同事们和牛津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。


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