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用DNA做的「有机计算机」可以处理人体内的数据

2015-09-18
DNA有机计算机
用DNA做的「有机计算机」可以处理人体内的数据
http://www.awaker.cn/94121.html
自我鉴别、理性评论、切勿迷信

用DNA做的「有机计算机」可以处理人体内的数据

我们总是想象用硅芯片做的电子设备,这个计算机可以储存及处理二进制数(0跟1的数字)的信息,由小电荷所代表。但不一定要这样,除了硅之外还可以选择有机的介质,比如说DNA。

DNA运算在1994年首次被公开,由Leonard Adleman将旅行行商的数学问题(一个计算出商人在假想城市之间的最佳路径的数学问题)编码并解决,完全在DNA里。

脱氧核糖核酸,也就是DNA,可以储存大量编码成分子序列(称为核甘酸、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)或胸腺嘧啶(T))的信息。不同物种之间复杂且庞大的基因码显示出用CGAT编码在DNA中可以储存的信息有多庞大,而这个容量可以用在运算上。利用称为杂交(hybridisation)的DNA配对结合产生的DNA分子可以用来处理信息。这把单股的DNA当成输入,经过转换产生后续一股股的DNA做为输出。

Adleman的实验中,许多以DNA为基础的「电路(circuits)」被提议用来当实现运算的方法,如布尔逻辑(Boolean logic)、算术公式(arithmetical formulas)以及神经网络运算(neural network computation)。这个方式提供奈米等级运算方法的习惯性设计与概念适合以DNA运作,称为分子编程(molecular programming)。

这里的「编程(programming)」是指生物化学。这个「程序(programs)」基于分子选择(DNA彼此互动达成特殊排序结果的自我编译方式,无序的分子集合会自发性地互动来产生所需的DNA链排列)的方式产生出来。

DNA机器人

DNA也可以用来控制动作,让以DNA为基础制作的奈米机械装置动作。这件事在2000年由Bernard Yurke与其同事首次完成,他们用DNA链制作可以开阖的镊子。之后的实验,像是2011年Shelley Wickham与其同事在牛津Andrew Turberfield实验室示范了可以走遍所有路径的奈米分子行走机器(完全用DNA制作)。

一个可能的应用是像这种DNA奈米行走机器可以在轨道之间做选择并在抵达轨道终点时打讯号,表示计算已经完成。就像电子芯片被搭载在电路板上,DNA分子也可以类似将整理为逻辑选择树的轨道搭载到DNA砖上,利用酶来控制树的分支选择,让DNA行者可以决定要走哪条。

DNA行者也可以携带分子货物,用来将药物送到体内。

用DNA做的「有机计算机」可以处理人体内的数据

为什么要用DNA运算?

因为DNA分子的许多外在特性(包括只有2奈米宽的尺寸、可编程性以及高度储存容量)比他们的同行硅棒多了。而且DNA也是多才多艺、便宜且容易合成,用DNA运算需要的能量也比使用硅的电子处理器小很多。

他的缺陷是速度:运算四位数字的平方需要几个小时,而一台传统计算机只需要百分之一秒就可运算出来。另一个缺陷是DNA电路是一次性的,要做同样的运算需要再做一个。

也许相较于电子电路,DNA电路最大的优点是可以与生物化学环境互动。要运算分子涉及到需要分辨某些分子存在不存在,因此用DNA运算是自然的应用,将可编程性应用在环境生物传感的领域,或是运送药物进入活体生物内部进行治疗。

DNA计划已经应用在药物使用,像是诊断结核病。另一个提案用法是由以色列Weizmann科学研究院的Ehud Shapiro所提出对象目标是癌症分子,称为「细胞里的医生(doctor in cell)」的奈米生物「程序(program)」。其他DNA医学应用计划目标放在淋巴细胞(白血球的一种),由某些细胞标记的存在与不存在来决定,可以侦测为「是或否(true、false)」的布尔逻辑(Boolean logic)。然而,要将智慧药物直接注射到活体生物之前,还需要更多的努力。

DNA运算的未来

广义来说,DNA运算的未来有相当大的潜力。他的巨大储存容量、低耗电量、简单制造,利用DNA自我编译的能力以及与自然世界的亲和性,也许透过设计结合分子与电子组件,可以让我们进入奈米等级运算的领域。这个技术从开始研究起,进步的非常快速,可以提供护理点的诊断以及智能型药物(可以做出诊断选择要施行何种治疗)的概念证明。

当然,要让这个技术从概念证明进到真实智能型药物之前还有很多挑战需要被解决,像是DNA行者的可靠性、DNA自我编译的可靠度以及改善药物运送。但研究了一个世纪的传统运算科学可以藉由新的程序语言、抽象与有形的证明技术来对DNA运算做出贡献,像是彻底改变硅芯片设计的技术,以及可以帮助有机运算走相同的途径推出。



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本栏目主要介绍基因工程方面,包括人类基因组计划、转基因、基因技术、用DNA做的「有机计算机」可以处理人体内的数据等。特别关注有关人与文化方面的研究。

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