DNA计算机发表评论(0)编辑词条

　　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。