DNA計算技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

殷婧

摘要：近年來，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，DNA計算技術(shù)的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來。DNA計算技術(shù)相比于傳統(tǒng)的計算技術(shù)，具有無限大的儲存空間和強大的運行處理能力，可以處理多種算術(shù)及算法問題，并且計算的結(jié)果迅速、準確，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于計算、生物、信息等多重領(lǐng)域。該文主要分析了DNA計算機技術(shù)的發(fā)展歷程以及在DNA分子基礎(chǔ)上建立的DNA模型，希望對DNA計算技術(shù)的發(fā)展有一定的借鑒性意義。

關(guān)鍵詞：DNA；計算機技術(shù)；發(fā)展與應(yīng)用

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）25-0230-02

近年來，DNA計算技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，逐漸在計算、生物、信息等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于DNA分子具有特異性雜交、超強并行操作、微小性等，使得DNA分子成為下一代計算機技術(shù)研究的重點。另外，DNA分子還具有無限大容量的儲存空間和強大的運算處理能力。眾所周知，DNA分子是重要的遺傳物質(zhì)，除此之外，DNA分子也能在微電子及納米材料方面發(fā)揮其獨特的作用。

1 DNA計算機技術(shù)的發(fā)展歷程

隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的計算機技術(shù)由于其有限的儲存能力和運算能力將會被逐步淘汰。為了滿足實際工作的需要，越來越多的行業(yè)對計算機的儲存能力及運算能力提出了更高的要求，DNA計算機技術(shù)適應(yīng)時代的發(fā)展應(yīng)運而生。

國際上有很多發(fā)達國家在二十世紀已經(jīng)開始重視對DNA計算機技術(shù)的研究。在1996年，日本政府開始把DNA計算機技術(shù)作為重大研究項目來實施，在該研究領(lǐng)域投入了大量的資 金。1997年后，美國逐步認識到發(fā)展DNA計算機技術(shù)的重要性，開始投入資金研究DNA計算機技術(shù)，并在2002年開始將DNA計算機技術(shù)的研究成果應(yīng)用于“全球鷹”無人機上。歐盟國家也在1998年開始重點關(guān)注DNA計算機技術(shù)的研究。發(fā)達國家對DNA計算機技術(shù)的重視使得該技術(shù)逐漸成為全球計算機領(lǐng)域重點研究的對象。據(jù)統(tǒng)計，在2012年，我國進口高端芯片的花費已經(jīng)超過了進口石油的花費，如果能夠通過DNA計算機技術(shù)實現(xiàn)對芯片的拼接與重組，在計算機技術(shù)領(lǐng)域?qū)⑹欠浅Ｖ卮蟮耐黄啤?/p>

DNA計算機技術(shù)的發(fā)展不僅在計算機領(lǐng)域是非常重大的突破，對于其他領(lǐng)域的發(fā)展也具有異常重要的作用，如在管理學(xué)中的戰(zhàn)略分配、邏輯研究、密碼破譯、生物醫(yī)學(xué)以及信息網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。可以想象，隨著DNA計算機技術(shù)在各大領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其對人類的發(fā)展將具有劃時代的意義。

任何技術(shù)的發(fā)展成熟都不是一蹴而就的，都需要經(jīng)歷反復(fù)的實驗與探究，才能夠投入到實踐中應(yīng)用，DNA計算機技術(shù)也是如此。在1994年，Adleman開始創(chuàng)立DNA計算模型，這在當時看來已經(jīng)是非常重大的突破；在1998年，開始有專家創(chuàng)立出表面DNA計算模型；在2001年，來自以色列的計算機專家第一次成功研制出DNA計算機，為后來DNA計算機技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；在2002年，日本首次將DNA計算機投入商業(yè)使用；在2009年，DNA技術(shù)開始與納米技術(shù)結(jié)合，DNA計算機技術(shù)開始在其他領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

2 DNA計算模型

2.1 建立在鏈置換基礎(chǔ)上的DNA計算模型

建立在鏈置換基礎(chǔ)上的DNA計算模型主要是利用分子系統(tǒng)趨向于最低能級，再應(yīng)用該技術(shù)內(nèi)的特異性加以辨別從而實現(xiàn)釋放和捕捉等操控功能。該技術(shù)具有迅速、靈敏、準確的優(yōu)點，在DNA計算機技術(shù)研究領(lǐng)域里也是重點關(guān)注對象。在2009年，據(jù)報道有人研究出建立在鏈置換基礎(chǔ)之上的通用翻譯器，能夠快速將輸入序列轉(zhuǎn)換成輸出序列，在醫(yī)學(xué)上具有重要應(yīng)用，能夠快速檢測出患者的某些疾病如慢性肝炎、天花等。在2011年，建立在DNA計算機技術(shù)對數(shù)字邏輯計算的基礎(chǔ)上，有研究組研究出了數(shù)字邏輯電路，該數(shù)字邏輯電路能夠快速解決異常復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題。在2013年，又有該領(lǐng)域的相關(guān)研究人員在鏈置換的基礎(chǔ)上建立了反方向的DNA計算邏輯門，擴展了DNA計算機技術(shù)的模型。

2.2 建立在DNA酶基礎(chǔ)上的DNA計算模型

DNA酶具有水解DNA分子的特異功效，除此之外，DNA還能夠快速反應(yīng)金屬離子。利用DNA酶的這些特征，可以在此基礎(chǔ)上建立DNA計算模型。建立在DNA酶基礎(chǔ)上的DNA模型具有高效、反應(yīng)迅速的特征。這幾年，越來越多的計算機領(lǐng)域的研究者開始充分利用DNA分子的生物特性，這使DNA計算機技術(shù)呈現(xiàn)出多元化的特點。在2003年，Stefanovic等利用DNA酶其中的一種酶——E6酶設(shè)計出了一款游戲，即MAYA，并且在此基礎(chǔ)上解決了在三行三列的棋盤上如何實現(xiàn)讓三個棋子保持在一條線的問題；在2006年，仍然建立在E6酶的基礎(chǔ)上，Stefanovic等設(shè)計出了MAYA的擴展游戲，命名為MAYA II，該游戲能夠在三行三列的方格里解決如何采取有效的方法連出一條直線來。之后，Kolpashchikov等在脫氧核酶的基礎(chǔ)上設(shè)計出相應(yīng)的DNA計算模型，該模型建立的主要作用為調(diào)節(jié)適配體的功能狀態(tài)。在2010年，Elbaz在脫氧核酶亞基的基礎(chǔ)上建立了數(shù)字邏輯電路。另外，同樣在2010年，Sai Bi在超分子脫氧核酶的基礎(chǔ)上又建立了具有不同功效的數(shù)學(xué)邏輯電路，該模型實現(xiàn)了DNA分子與納米粒子的結(jié)合。

2.3 建立在瓦片基礎(chǔ)上的DNA計算模型

DNA可以被稱為是高級的納米材料，可以通過多種不同組成的DNA分子配對成納米結(jié)構(gòu)，其中DNA瓦片就是納米結(jié)構(gòu)中的一種。DNA瓦片主要是應(yīng)用DNA納米結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢及DNA基本結(jié)構(gòu)自行組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)DNA計算的功能。建立在DNA瓦片基礎(chǔ)之上的DNA計算模型的基本單位是DNA分子，再由DNA分子構(gòu)成基本的瓦片結(jié)構(gòu)，之后一步步連接形成復(fù)雜的DNA計算模型。在2000年，Mao等通過DNA分子的三次聯(lián)合形成了基礎(chǔ)的DNA瓦片結(jié)構(gòu)，這種基礎(chǔ)的DNA瓦片結(jié)構(gòu)如果能夠被擴展成更復(fù)雜的DNA瓦片結(jié)構(gòu)，那么就有可能通過該DNA結(jié)構(gòu)制造出復(fù)雜的納米材料。在2005年，Robert D. Barish在DNA瓦片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計出了可以進行抽象的二進制計算及具有復(fù)制功能的DNA晶體。該研究的提出為其他邏輯計算提供了可能。在2007年，Brun在DNA瓦片基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又設(shè)計出較復(fù)雜的DNA瓦片結(jié)構(gòu)，這種復(fù)雜的DNA瓦片結(jié)構(gòu)能夠有效解決自然數(shù)子集的相關(guān)問題。在2008年，Jaswinder Sharma建立在DNA瓦片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對量子點進行了自動組裝，顯現(xiàn)了納米光子結(jié)構(gòu)新的特征。在2010年，Endo等建立在DNA瓦片結(jié)構(gòu)上又設(shè)計出了具有多種功效的DNA納米芯片，將建立在瓦片基礎(chǔ)上的DNA計算模型用在了實際檢測中。

2.4 建立在納米顆?；A(chǔ)上的DNA計算模型

納米顆粒是納米材料眾多種類中的一種，目前，越來越多的納米顆粒開始被應(yīng)用于DNA計算中。納米顆粒彼此靠近能夠產(chǎn)生強大的物理反應(yīng)，建立在納米顆粒的DNA計算模型可以實現(xiàn)多種類型的DNA計算?；诩{米顆粒的優(yōu)勢，已經(jīng)有很多研究者先后在納米顆粒的基礎(chǔ)上建立了DNA計算模型。在2011年，Lin等發(fā)現(xiàn)了一種有機光開關(guān)分子，一般在業(yè)內(nèi)被稱為SP，當SP處于無光或者日照光照射的環(huán)境中時，其表現(xiàn)的狀態(tài)是沒有顏色的，并且是閉合的；而當SP處于紫外線照射的環(huán)境下時，其表現(xiàn)的顏色是紅色的，并且是處于開放的狀態(tài)，易與外面的分子結(jié)合。

3 結(jié)束語

綜上所述，與傳統(tǒng)的計算機技術(shù)相比，DNA計算技術(shù)具有無限大容量的儲存能力和快速高效的運算處理能力。自從20世紀90年代以來，DNA計算技術(shù)獲得了飛速發(fā)展。DNA計算技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在建立在DNA分子基礎(chǔ)上的DNA計算模型上，主要包括建立在鏈置換基礎(chǔ)上的DNA計算模型、建立在DNA酶基礎(chǔ)上的DNA計算模型、建立在瓦片基礎(chǔ)上的DNA計算模型、建立在納米顆?；A(chǔ)上的DNA計算模型等等。在未來，DNA計算機技術(shù)仍然是計算機領(lǐng)域內(nèi)研究的重中之重。就我國來說，應(yīng)當抓住DNA計算機技術(shù)發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)，積極利用一切條件創(chuàng)新發(fā)展DNA計算機技術(shù)，爭取占領(lǐng)該領(lǐng)域內(nèi)的研究制高點，另外，也汲取國外在此領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢并為我所用，努力促進DNA計算機技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。

參考文獻：

[1] 譚琳. 基于DNA序列和混沌的圖像加密算法[J]. 信息系統(tǒng)工程， 2014（11）.

[2] 梁超，楊靜，張成. DNA密碼研究現(xiàn)狀及展望[J]. 信息網(wǎng)絡(luò)安全，2015（1） .

[3] 支凌迎，殷志祥，黃曉慧，胡娟.DNA計算研究概述與分析[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009（6）.endprint