DNA计算

DNA可能是完成计算的最完美材料。DNA计算的创始人是美国南加州大学的莱昂那多•阿德莱曼教授,他于1994年利用DNA计算方法解决了一个著名的数学难题“七顶点哈密尔顿路径”。最近,科学家们开始利用DNA计算来创造生物计算机,放在人体或生物体工作,其计算结果可通过荧光蛋白的活动来读取。
DNA计算是利用DNA双螺旋结构和碱基互补配对规律进行信息编码,将要运算的对象映射成DNA分子链,通过生物酶的作用,生成各种数据池,再按照一定的规则将原始问题的数据运算高度并行地映射成DNA 分子链的可控的生化反应过程。最后,利用分子生物技术(如聚合链反应PCR、超声波降解、亲和层析、克隆、诱变、分子纯化、电泳、磁珠分离等),检测所需要的运算结果。
从数学上讲,单链DNA可看作由符号A、C、G、T组成的串,同电子计算机中编码0和1一样,可表示成4 字母的集合来译码信息。特定的酶可充当“软件”来完成所需的各种信息处理工作。不同的酶用于不同的算子,如限制内核酸酶可作为分离算子,DNA结合酶可作为绑结算子,DNA聚合酶可作为复
制算子,外核酸酶可作为删除算子等。这样,通过对DNA双螺旋进行丰富的、精确可控的化学反应以完成各种不同的运算过程,就可研制成一种以DNA为芯片的新型计算机。已被证明DNA计算至少在理论上是通用的,可以解决图灵机所能解决的所有问题。
本质上,DNA计算可以分为3类:分子内、分子间和超分子DNA计算。Takahashi致力于分子内DNA计算,借助于分子内的形态转移操作,用单DNA分子构建可编程的状态机。分子间DNA计算集中在不同DNA分子间的杂交反应,使其作为计算中的一个基本步骤,像Adleman的实验。而超分子DNA计算是利用不同序列的原始DNA分子的自装配过程进行的计算。目前,超分子DNA计算的创新及应用进入了一个新的台阶。
DNA计算机的研制无疑要经历3个阶段:首先是试管阶段,验证DNA计算原理的可行性;其次是表面阶段,这也是一个过渡性阶段,要克服试管中DNA分子的易丢失和操作难的缺点;最后是芯片阶段,只有芯片化后,DNA计算机才能走向实用。这3个阶段也就是DNA计算的3种实现方式。
经过10多年的发展已有多种DNA计算模型被提出,如剪接模型、粘贴模型、等同检测模型、插入/删除系统、最小计算模型等,这些模型都被证明和图灵机是等价的,也就是具有计算完备性。
目前,DNA计算的大量研究还停留在纸面上,很多设想和方案都是理想化的,还没有条件付诸实验,如何实现DNA计算并制造DNA计算机,还存在许多技术障碍。对于DNA计算构造的现实性及计算潜力、DNA计算中错误的减少、有效的通用算法以及人机交互等问题都需要进行进一步的研究。尤其是DNA计算中存在的误码,这种误码是依概率随机产生的,并能被逐级放大。误码率直接影响DNA的计算精度,目前还不能有效克服这一问题。也许DNA计算机仅起一个运算器的作用,即便如此,这种DNA计算与传统计算机互补所获得的计算机也将产生不可估量的影响。