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電子計(jì)算機(jī)是以電流來傳遞信號(hào)的,而在被視為明日之星的生物計(jì)算機(jī)中,傳遞信號(hào)的則是不同的分子——DNA(脫氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)和蛋白質(zhì)分子等等。看起來,它和今天我們使用的電子計(jì)算機(jī)十分不同,不過這兩者之間卻有些微妙的相似之處。
DNA由GTAC四種堿基構(gòu)成,在其中的每一條單鏈上,堿基的順序可以看做是隨意的;而如果一條單鏈上某個(gè)位置的堿基是腺嘌呤A的話,另一條單鏈的對(duì)應(yīng)位置上則必然是胸腺嘧啶T;鳥嘌呤G和胞嘧啶C也存在同樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種方式很安全——如果一條DNA單鏈因?yàn)槟撤N原因而被破壞,還可以根據(jù)另一條單鏈上對(duì)應(yīng)位置的堿基把它補(bǔ)全;而且,如果我們知道了一條DNA單鏈的堿基序列,就可以制造出另一條和它匹配的單鏈來,就像我們有了一側(cè)拉鏈,就可以制造出另一側(cè)來一樣。
1994年,南加州大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家提出了用DNA計(jì)算的方式解決七頂點(diǎn)旅行商問題的方案。旅行商問題要求在多個(gè)頂點(diǎn)之間尋找出一條最短路徑,經(jīng)過所有頂點(diǎn),但是每個(gè)頂點(diǎn)只能經(jīng)過一次。對(duì)于電子計(jì)算機(jī)來說,要解決這種問題需要先找到所有的可能路徑,再對(duì)其分別比較以選出最短路徑來。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,DNA計(jì)算機(jī)也使用了類似的方式,不過它的運(yùn)算速度要比電子計(jì)算機(jī)快得多——但是,挑選結(jié)果出來卻要慢得多。
科學(xué)家們用不同堿基的組合分子定義出每個(gè)頂點(diǎn)和每兩個(gè)頂點(diǎn)之間的路徑,其中路徑的編碼剛好和兩個(gè)頂點(diǎn)的編碼互補(bǔ);再把這些分子和合適的酶放進(jìn)試管,讓它們自由組合。只需要幾秒鐘,分子們就已經(jīng)組合出了正確的答案,只不過和所有錯(cuò)誤答案都混在一起而已。
接下來,用電泳技術(shù)先把長度符合答案的DNA鏈分揀出來,用親和力萃取技術(shù)選出所有包含第一個(gè)頂點(diǎn)的DNA鏈,再從中分出同時(shí)包含第二個(gè)頂點(diǎn)的DNA,以此類推。在經(jīng)過七次萃取之后,獲得了同時(shí)包含七個(gè)頂點(diǎn)的DNA鏈,以及連接這七個(gè)頂點(diǎn)的八條線路。這次在試管里進(jìn)行的生物計(jì)算,終于獲得了數(shù)學(xué)問題的答案。
這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成功,掀起了DNA計(jì)算的熱潮。1997年,美國羅切斯特大學(xué)的研究者安尼麥?zhǔn)贰だ缀洼对獾掠肈NA分子實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的基本器件邏輯門,讓傳統(tǒng)的布爾邏輯運(yùn)算成為可能;但是只有邏輯門并不意味著可以制造出計(jì)算機(jī),就像掌握了燒磚的技術(shù)并不意味著能夠建造起摩天大樓一樣。
在進(jìn)入21世紀(jì)之后,DNA計(jì)算的熱點(diǎn)主要集中到自組裝相關(guān)計(jì)算和體內(nèi)DNA計(jì)算上來。這些研究方向?qū)⒖赡軙?huì)造就納米尺度上的計(jì)算元件,也可能會(huì)制造出針對(duì)性很強(qiáng)的新型檢測(cè)方法和藥物。相關(guān)的研究成果層出不窮,但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有能夠達(dá)到可以實(shí)際應(yīng)用的程度。
猛犸:科技專欄作者,IT技術(shù)宅