下一代計算機：DNA計算機

科沃爾斯基/ 文

什么是DNA？

DNA 是一種生物大分子，又稱脫氧核糖核酸。它是生物遺傳密碼的重要組成部分，主要功能是儲存信息。

組成DNA 的基本單位是四種脫氧核苷酸，四者分別含有A、T、C、G 四種堿基。然后，再由兩條多核苷酸鏈通過A-T 與C-G 堿基對之間的氫鍵而結合在一起，形成相當穩(wěn)定的雙螺旋結構。這就是有如一條長鏈般的DNA 分子。

最早分離出DNA 的，是一位名叫弗雷德里希·米歇爾的瑞士醫(yī)生。1869年，他從廢棄繃帶殘留的膿液中，發(fā)現(xiàn)了一些只有通過顯微鏡才能觀察到的物質(zhì)。由于這些物質(zhì)位于細胞核中，所以米歇爾稱之為“核素”。至于DNA 雙螺旋結構，則是在1953年，由沃森和克里克在英國劍橋大學做研究時發(fā)現(xiàn)的。

DNA 雙螺旋結構示意圖

DNA 計算機的原理

DNA 計算機雖然是一種生物形式的計算機，但它的組成原理與傳統(tǒng)計算機是相似的。它利用DNA（脫氧核糖核酸）來建立一種完整的信息技術形式，以經(jīng)過編碼的DNA 序列（類似于計算機內(nèi)存）為運算對象，通過分子生物學的運算操作來解決復雜的數(shù)學難題。

具體來說，DNA 計算機由DNA 分子電路組成。它“輸入”的是細胞質(zhì)中的RNA、蛋白質(zhì)以及其他化學物質(zhì)，“輸出”的則是容易辨別、處理的分子信號。它所擁有的原始數(shù)據(jù)是DNA 分子堿基對的不同排列次序，在此基礎上，通過生化反應來對DNA 堿基對進行基本操作，從而實現(xiàn)計算機的各種功能。

DNA 計算機概念圖

DNA 計算機的特點

與傳統(tǒng)計算機相比，DNA 計算機有很多優(yōu)點。

1.體積小

DNA 計算機可集成數(shù)億個生物電路，是現(xiàn)有計算機的上百倍。同時，DNA 計算機可容納于一根試管之中，跟它相比，傳統(tǒng)計算機簡直就是“龐然大物”。

2.容量大

一立方米的DNA 溶液，可以存貯一萬萬億個二進制數(shù)據(jù)。所以，僅僅拇指大小的DNA 溶液，存儲的信息量便相當于一萬億張CD。這一存儲密度是我們常用的移動硬盤的一千億到一萬億倍。

3.運算快

跟傳統(tǒng)計算機相比，DNA 計算機的最大優(yōu)勢在于并行運算能力。所有計算機的運算速度都取決于兩個因素：一是并行處理能力；二是單位時間內(nèi)的運算步驟。DNA 計算機傳輸數(shù)據(jù)與通訊的過程相對簡單，其并行處理能力可與超級計算機相媲美。如果把計算機的運算能力比作用鑰匙開鎖的話，那么，傳統(tǒng)計算機一次只能用一把鑰匙去開鎖，而DNA 計算機則可以同時用幾百萬把鑰匙去開鎖。這意味著它的運算速度比傳統(tǒng)計算機要快幾百萬倍，可以達到每秒十億次的水準。

4.耗能低

DNA 計算機的能耗僅為普通計算機的十億分之一。

5.容錯高

所謂DNA 雙螺旋結構，是基于各堿基之間的互補配對而形成的。這種互補性是DNA 計算機的獨特優(yōu)勢。如果DNA 鏈條上的某一處堿基出現(xiàn)錯誤，特定的修改酶能夠?qū)ζ溥M行修正。如此一來，DNA 計算機便擁有了“自我修復”功能，大幅提高了它的數(shù)據(jù)容錯能力。這是傳統(tǒng)計算機無法比擬的。

DNA 計算機概念圖

DNA 計算機的未來

此前的DNA 計算機，大多把DNA 鏈溶解于化學溶液中。這么做的缺點是，DNA分子可以在溶液中隨意游走，從而易于發(fā)生連接或反應，并進而影響工作效率。加之數(shù)以億計的DNA 分子非常復雜，實際操作過程中一旦稍有差錯，便有可能發(fā)生難以預計的致命失誤。因此，若要真正將DNA 計算機應用于現(xiàn)實生活，尚需時日。

雖然DNA 計算機技術的成熟之路依舊相當漫長，但科學家們還是希望，至少能在不久的未來開發(fā)出“能檢測”“會思考”“可預測”的智能DNA 計算機設備，并將其應用于在人體內(nèi)合成所需藥物，幫助治療癌癥、心臟病、動脈硬化等疑難病癥，從而為人類的健康造福。