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生物计算机诞生:DNA密码将被破译

DNA计算机:未来程序员,拿试管“写”代码?

生物计算机诞生:DNA密码将被破译

来源:乐游整理 日期:2012/2/10 16:06:54 作者:乐游 962乐游网 → 首页 → 游戏资讯 → 业界动态 → 生物计算机诞生:DNA密码将被破译

[乐游网导读]人类遗传的DNA将可能被破译,那么人类的遗传是不是将能随着自己的意愿呢?据美国物理学家组织网报道,美国加州斯克里普斯研究院和以色列理工学院科学家开发出一种生物计算机

人类遗传的DNA将可能被破译,那么人类的遗传是不是将能随着自己的意愿呢?据美国物理学家组织网报道,美国加州斯克里普斯研究院和以色列理工学院科学家开发出一种生物计算机

目前可用于破译存储在DNA芯片中的加密图像。这是首次通过实验演示基于DNA计算的分子图像密码系统。相关论文发表在最新一期《应用化学》上。

电子计算机由硬件、软件、输入和输出4个部分构成,输入、输出的是电子信号,硬件是各种金属、塑料、导线、晶体管的复杂组合,软件是一系列电子信号形式的机器指令。而生物计算机这4个部分全是分子,所有生物系统甚至整个有机生物界、每个人都是一台生物分子计算机,其硬件和软件是复杂的生物分子,分子之间能有逻辑地进行“交谈”。它们互相激活,执行某个预定的化学反应。输入是一种经过特殊预定变化的分子,遵循一套特殊的法则,这种化学计算过程的输出,是另一种明确规定好了的分子。

新开发的生物计算机是把化学成分和一种装有溶液的管子连接在一起,溶液中混合着各种不同的小DNA分子、经过选择的DNA酶和ATP。“这是一种清澈的溶液,你看不到任何东西。”领导该研究的以色列理工学院教授艾胡德·柯南说,“当分子开始相互作用,我们就可以静候结果。还可以调整混合液中DNA和DNA酶改变处理过程,以得到想要的结果。”

生物计算机是根据图灵机的模型设计的,图灵机的操作与DNA链极为相似。阅读开端从一个字母到另一个字母,在每个位点都执行四步操作:阅读字母;用另一个字母替代该字母;改变它的内部形态;移动到下一个位置。一张指令表就是翻译规则或翻译软件,指示这些操作。“我们的设备是图灵机的简化版。”柯南说。

柯南还指出,对于传统计算任务而言,电子计算机速度更快、更可靠,生物计算机的主要优势在于其生物特性。人们能把大量信息经过加密存储在DNA芯片中,生物计算机处理单个步骤虽然比电子计算机要慢,但它能平行处理数万亿的化学步骤,使整体计算过程非常快。“这种技术让我们能在一个芯片中印上数百万像素,经过加密后,这种芯片能存储的图像数量可以达到天文数字。”

此外,这种设备能直接和生物系统甚至活的有机生物相互作用,因为分子计算机的四个组成部分之间都不需要接口,溶液中的分子会以一种瀑布般方式按照编好的程序进行化学反应。

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如今,无论在生活还是在工作中,我们都离不开计算机的帮忙。然而,随着大数据时代的到来,目前电子计算的并行运算速度和存储能力面临发展瓶颈,科学家开始寻找新的计算媒介。

近日,加州理工学院的科学家研发出可广泛编程的DNA计算机,其有望完成多重计算任务,相关成果刊登在《自然》杂志上。

那么,DNA计算机的原理是什么?与传统的电子计算机相比它有哪些优势?科技日报记者带着这些问题,采访了相关专家。

电子芯片发展遭遇物理极限

在介绍“大神”DNA计算机前,我们要先讲讲它的“前辈”——电子计算机。

别看电子计算机能为我们解决很多难题,但对于一些难度较大的数学问题,它也束手无策。例如,哈密尔敦路径问题,即假定存在多座城市,计算机要规划出一条经每座城市且不重复的最短路线。当城市数量少时,电子计算机或许能在短时间内给出答案,但当城市数量多至100个时,电子计算机就会“忙不过来”,要找出这条路线或许需要数百年。

在生活中,我们或许很少会遇到这类“烧脑”难题,但在大数据时代,由于数据存储量的激增,大体量计算任务也会随之增多。

“如今,传统电子计算机的算力逐渐接近‘天花板’,未来可能无法满足巨大的计算需求。” 厦门大学信息科学与技术学院教授刘向荣介绍道,为了提高计算机的运算速度,其内部电路的集成度会越来越高,芯片上的晶体管也会愈发密集。目前管道之间的距离约为10纳米,该距离一旦小于1纳米,就会出现问题。比如,电子在运动过程中将穿过晶体管壁,“乱成一锅粥”,无法再形成稳定有序的电路,致使计算无法正常进行。

“按照摩尔定律的说法,集成电路上可容纳的元器件的数目每隔约18到24个月便会增加一倍。”刘向荣说。

不过随着芯片技术的不断发展,摩尔定律也逐渐遇到了物理法则的限制。目前,晶体管的体积已达到纳米级别,继续缩小的可能性正在变小,摩尔定律所预言的发展轨迹似乎已再难延续。

于是,部分科学家开始寻找能力更强大的、可突破目前电子计算机瓶颈的下一代计算机。

利用生化反应在液体里进行计算

科学家将目光投向了生物领域,在那里寻找“后补选手”。

1994年,图灵奖获得者、美国科学家阿德拉曼提出基于生物化学反应机理的DNA计算模型,推开了DNA计算的大门。

DNA,即脱氧核糖核酸,是具有双螺旋结构的有机化合物。那么,染色体中的DNA是怎么完成计算任务的?

“DNA计算是以DNA和相关生物酶为基本材料,利用某些生化反应进行计算的一种新型的分子生物计算方法。”北京大学信息科学技术学院副研究员张成在接受科技日报记者采访时表示,它主要是利用DNA分子特有的双螺旋结构和碱基互补配对原则进行计算。

其具体的计算步骤为,首先工作人员对待解决的问题进行编码,即将运算对象编码成DNA分子链;其次是将编码后的DNA分子链混入生物酶溶液中,生成各种数据池;然后在生物酶的作用下,按照一定规则将解决问题的过程映射成DNA分子链的可控生化反应的过程;最后,利用分子生物技术,如聚合酶链式反应等,得到最终的运算结果。

“与电子计算的操作不同,DNA计算属于‘湿实验’,即大部分运算都在液体里进行。”张成告诉科技日报记者,在DNA计算环境下,要想读取数据,可不像电子计算机这么方便,看一眼电子屏幕就成了,而是需要通过凝胶电泳、荧光成像、原子力显微镜、透射电镜等生物分子检测技术获得计算结果。

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