我們?nèi)粘＝佑|到的計算機大多是由硅和晶體管構(gòu)成。隨著科技的發(fā)展，科學(xué)家已在嘗試超越電子計算機，利用生物分子來實現(xiàn)計算機的功能。
不同于常見的電子計算機，DNA計算機是一種生物形式的計算機，以DNA分子作為“硬件”，以分子之間的化學(xué)反應(yīng)作為“算法”。相較于傳統(tǒng)電子計算機，DNA計算機具有體積小、運算速度快、能耗極低等優(yōu)勢。自1994年“DNA計算機”的概念誕生以來，其優(yōu)點被越來越多的科學(xué)家所認(rèn)識，紛紛投入到該領(lǐng)域的研究中。
待到DNA計算技術(shù)成熟的那一天，它或可隨人意念而動，利用人體本身的能量，來完成電子計算機難以實現(xiàn)的醫(yī)療診斷和治療任務(wù)，或?qū)⒔o人類文明帶來質(zhì)的飛躍。
然而，每一項可能帶來劃時代改變的科學(xué)技術(shù)，都不是一蹴而就的，DNA計算機從誕生至今已走過了28個年頭。小編帶你精簡回顧它所經(jīng)歷的發(fā)展歷程。
呱呱墜地
1994年的這個夜晚，注定會被DNA計算史銘記。美國南加州大學(xué)計算機科學(xué)家雷納德·阿德勒曼對著著名生物學(xué)家詹姆士·沃森的DNA教科書《基因分子生物學(xué)》發(fā)出感慨：“DNA真是一種不可思議的東西?！币慌缘钠拮娱_玩笑道：“說不定它能做成計算機呢！”
這句話突然使阿德勒曼靈光閃現(xiàn)：“人體細(xì)胞和計算機處理與儲存信息的方式如此相似。計算機以0和1組成字符串存儲庫，而生物體以A、T、C、G表示的分子存儲信息。我們當(dāng)然可以利用DNA來完成計算機高速運算的任務(wù)?！碑?dāng)年10月，他就在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇題為《組合問題的生物電腦解決方案》的論文，首次提出分子計算機的概念，即用DNA分子構(gòu)建計算機，完成計算任務(wù)。
不久，阿德勒曼設(shè)計并構(gòu)建的第一臺利用DNA進(jìn)行運算的計算機誕生了。為了證明這臺DNA計算機的實用性，他將其用于解決一個經(jīng)典數(shù)學(xué)問題，并在一周之內(nèi)完成了這項當(dāng)時半導(dǎo)體計算機需要花費兩年才能解決的問題。就這樣，DNA計算機的雛形誕生了。
蹣跚學(xué)步
2001年，以色列魏茨曼科學(xué)研究所的科學(xué)家在《自然》雜志上報道了一種由DNA分子和酶分子構(gòu)成的微型“生物計算機”，其中酶為計算機“硬件”，DNA為“軟件”，輸入和輸出的“數(shù)據(jù)”都是DNA鏈。
與以往研制的一些DNA計算機不同，這是第一臺不需要人工干預(yù)、能夠自動運算的DNA計算機?！拔覀円呀⒁环N由生物分子所組成的納米級計算機，由于體積超小，無法只單獨運行一臺來執(zhí)行任務(wù)?！币陨形捍穆茖W(xué)研究所的艾哈德·夏皮羅教授表示，當(dāng)數(shù)兆臺計算機同時被激活時，它們就可執(zhí)行數(shù)十億個運算作業(yè)。
然而，直至今日，DNA計算機的研制仍處于起步階段，現(xiàn)在判斷這種DNA計算機是否有實用價值還為時尚早。要將其應(yīng)用到臨床，例如幫助基因組測序、進(jìn)入生物體內(nèi)尋找異?，F(xiàn)象，或有目的地釋放或合成藥物等，可能還需要等待數(shù)十年。
豆蔻年華
基于DNA分子和酶分子混合物的DNA計算機面臨著諸多瓶頸。比如，酶分子價格昂貴，且需要溫和的反應(yīng)條件。這使得之前在實驗室里制造的生化電路普遍具有局限性。2006年，美國加州理工大學(xué)埃里克·溫弗里教授研究組提出了一種新型DNA分子元件來構(gòu)造DNA計算機，這一分子元件的結(jié)構(gòu)非常簡單且標(biāo)準(zhǔn)化、運作穩(wěn)定，容易升級。
“DNA分子在溶液中自由運動，有時會碰撞在一起?！睖馗ダ镎f，“如果兩個相遇的DNA分子有著互補的序列，單鏈就會扣在半雙鏈多出來的單鏈上，并將之前的半雙鏈解開，釋放出一個新的自由單鏈?！边@樣的過程會持續(xù)下去，直到獲得足夠的輸出信號為止。通過多個DNA反應(yīng)的級聯(lián)，就可組成具有多層電路結(jié)構(gòu)的DNA計算機。
埃里克·溫弗里教授利用這種DNA分子元件建立了AND、OR和NOT邏輯門。在這一階段，這種DNA計算機只有12個不同的DNA分子，從原先一個單獨的邏輯門擴(kuò)展到五層電路，但運算速度卻降低了好幾個數(shù)量級。
風(fēng)華正茂
2011年至今，DNA計算機展現(xiàn)出驚人魅力。2011年，華人科學(xué)家錢璐璐在實驗室中使用DNA分子構(gòu)建了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。基于DNA鏈置換反應(yīng)，這種位于試管中的人工智能系統(tǒng)構(gòu)建了具有反饋功能的霍普菲爾德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用四個DNA構(gòu)建的神經(jīng)元實現(xiàn)了“讀心”游戲，即通過幾個簡單的問題，就能夠“猜測”對方心中所想的內(nèi)容。
錢璐璐說：“我們試圖借鑒那些算法、編程語言和編譯器之類已經(jīng)由電子計算機驗證過的成功理念，并把它們應(yīng)用到分子生物學(xué)當(dāng)中?！焙芸?，能夠模仿大腦工作形成自己“記憶”的DNA計算機就見諸于報道。
隨后，錢璐璐在前一個“試管人工智能”的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種名叫“贏者通吃”的由DNA制成的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并解決了機器學(xué)習(xí)界的經(jīng)典問題——識別手寫數(shù)字。這項工作是證實人工智能與DNA電路結(jié)合的一個重要步驟。
未來，科學(xué)家或許會研制出完全由生物材料制成的類人機器人，而不是當(dāng)前大眾傳統(tǒng)認(rèn)知的基于半導(dǎo)體和晶體管的機器人。
作者：曹夢瑤（華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士研究生）
編輯：許琦敏
責(zé)任編輯：任荃
