DNA 技术让计算机 “活过来”

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2013-04-01 18:00

虽然计算机和人脑差不多是在干一样的事情,但计算机终究只是计算机,是 “死物”。

不过,科学家们希望能够让计算机 “活过来”。最近,他们的努力有了不错的进展。

Yahoo 报道,美国斯坦福大学的生物工程团队设计出了一种可在个体活细胞中发挥晶体管的作用的基因器件,这种生物晶体管由遗传物质脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)制成,起到转录装置的作用。

项目负责人 Jerome Bonnet 表示,转录装置主要用来梳理基因逻辑,工程师可以使用转录装置在活细胞内进行计算和记录。转录装置控制 RNA 聚合酶沿着 DNA 链的流动,就像晶体管控制电子沿着电路流动那样,DNA 相当于电线,RNA 聚合酶相当于电子。目前,该研究团队已经利用这种转录装置构建出十分简易的逻辑门——“布尔聚合酶逻辑门”(BIL)。

基于转录装置的简单逻辑门本身并不能被看做是一台计算机,不过它能够在计算机系统中起到十分关键的作用。而转录装置则可以实现半导体晶体管的一些重要功能,比如放大信号——聚合酶表达的微小变化可以引起另外两个基因表达的剧变,利用它来组成十分复杂的计算网络也就不无可能了。而将 BIL 门与生物学网络进行连接,就有可能实现细胞与细胞间的遗传信息交流,从而协调一组细胞的行为。

研究团队使用了经过校准的酶组合来构建转录装置和 BIL 门,以两种丝氨酸重组酶的活性特点为基础完成 6 个基本逻辑门的构建。每个逻辑门分别由 3 个基因组成:两个输入基因,一个输出基因。

其实,关于 DNA 计算机的研究,人类已经走的比较远了。

早在 2011 年,来自加州理工学院的研究人员声称他们成功的研发出了世界上最大的以 DNA 为基础的计算电路。他们说利用该技术可以很容易地研发出更为复杂的 DNA 计算机。

研究人员将 130 个人工合成的 DNA 链组合起来,这些不同的 DNA 链可组建成逻辑电路。利用这些基本原材料,他们创造出了一个由分子组成的四位电路,它可以完成 1 到 15 之间的开方计算。

在他们的研究中,DNA 的多层链被用来做成生物逻辑门。就像基于硅集成电路一样,这些分子逻辑门可以产生二元变量:利用 “打开” 或 “关闭” 来表示信号,并以此作为输入的二进制信号。

first gen

来回顾一下 DNA 计算机的历史。

1994 年 11 月,美国计算机科学家 Leonard M. Adleman 也是用 DNA 计算的方式解决了哈密尔敦直接路役问题:假定有一个售货员必须向他经过的每一座城市推销产品,而每座城市只能途径一次,不能重复,求最短路径。 这个问题在当时即使用最快的半导体计算机来演算至少需要两年时间,但是科学家用 DNA 计算只花了 7 天。

Leonard M. Adleman 巧妙地利用 DNA 单链代表每座城市及城市之间的道路,并对它们做出编码。这样,每条道路的 “两端” 就会根据 DNA 组合的生物化学规则与两座正确的城市相连。然后,科学家在试管中把这些 DNA 链的副本混合起来,让它们以各种可能的组合连接起来,经过一系列的反应便能找出唯一答案,即只经过每座城市一次、且顺序最短的 DNA 分子链。

1995 年,来自各国的 200 多位有关专家一起进一步探讨了 DNA 计算机的可行性,它们认为 DNA 分子间在酶的作用下,某基因代码通过生物化学的反应可以转变成为另一种基因代码,转变前的基因代码可以作为输入数据,反应后的基因代码作为运算结果。利用这个过程完全可以制造新型的生物计算机。DNA 计算技术被认为是代替传统电子技术的各种新技术中主要候选技术。

2001 年 11 月,以色列科学家成功研制成世界第一台 DNA 计算机,它的输出、输入和软硬件全由在活性有机体中储存和处理编码信息的 DNA 分子组成。这种计算机只有一滴水大小,它可以说是是未来 DNA 计算机的雏形。次年,研究人员又作了改进,最后的成果就是吉尼斯世界记录中 “最小的生物计算设备”。

2002 年 2 月,Olympus 与东京大学联合开发出了全球第一台能够真正投入商业应用的 DNA 计算机。

2003 年,世界首台可玩游戏的互动式 DNA 计算机在美国问世。

2004 年,中国的第一台 DNA 计算机在上海交大问世。

最后,今天是 4 月 1 号,81192。

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