技術(shù)極大地影響了科學(xué)的發(fā)展。 賈涅克布羅斯 / 蓋蒂圖片社

　　即使在您閱讀本文時(shí)，計(jì)算機(jī)芯片制造商也在瘋狂地競相制造下一個(gè) 微處理器 這將推翻速度記錄。不過，這場競爭遲早會(huì)碰壁。由硅制成的微處理器最終將達(dá)到其速度和小型化的極限。芯片制造商需要一種新材料來產(chǎn)生更快的計(jì)算速度。

　　你不會(huì)相信科學(xué)家在哪里找到了構(gòu)建下一代微處理器所需的新材料。數(shù)以百萬計(jì)的自然超級(jí)計(jì)算機(jī)存在于生物體內(nèi)，包括你的身體。DNA(脫氧核糖核酸)分子，即構(gòu)成我們基因的材料，有可能比世界上最強(qiáng)大的人造計(jì)算機(jī)快很多倍。有朝一日，DNA可能會(huì)被整合到計(jì)算機(jī)芯片中，創(chuàng)造出一種所謂的生物芯片，將推動(dòng)計(jì)算機(jī)更快。DNA分子已經(jīng)被利用來執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題。

　　雖然他們還處于襁褓之中， 脫氧核糖核酸計(jì)算機(jī) 將能夠存儲(chǔ)比您的個(gè)人計(jì)算機(jī)多數(shù)十億倍的數(shù)據(jù)。在本文中，您將了解科學(xué)家如何使用遺傳物質(zhì)來創(chuàng)建納米計(jì)算機(jī)，這些計(jì)算機(jī)可能在未來十年內(nèi)取代硅基計(jì)算機(jī)。

　　DNA計(jì)算技術(shù)

　　DNA計(jì)算機(jī)在您當(dāng)?shù)氐碾娮赢a(chǎn)品商店還找不到。這項(xiàng)技術(shù)仍在開發(fā)中，十年前甚至還沒有作為一個(gè)概念存在。1994年，倫納德·阿德曼(Leonard Adleman)提出了使用DNA解決復(fù)雜數(shù)學(xué)問題的想法。阿德勒曼，計(jì)算機(jī)科學(xué)家 南加州大學(xué)，在閱讀了詹姆斯·沃森(James Watson)撰寫的《基因的分子生物學(xué)》(Molecular Biology of the Gene)一書后得出結(jié)論，DNA具有計(jì)算潛力，詹姆斯·沃森(James Watson)于1953年共同發(fā)現(xiàn)了DNA的結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，DNA與計(jì)算機(jī)非常相似。 硬盤 它如何存儲(chǔ)有關(guān)您的基因的永久信息。

　　阿德曼通常被稱為DNA計(jì)算機(jī)的發(fā)明者。他在1994年出版的雜志上發(fā)表的文章 科學(xué) 概述了如何使用DNA來解決一個(gè)眾所周知的數(shù)學(xué)問題，稱為 定向漢密爾頓路徑問題，又稱“旅行推銷員”問題。問題的目標(biāo)是找到多個(gè)城市之間的最短路線，每個(gè)城市只經(jīng)過一次。隨著您向問題中添加更多城市，問題變得更加困難。阿德曼選擇在七個(gè)城市之間尋找最短的路線。

　　你可能會(huì)把這個(gè)問題寫在紙上，并比阿德曼使用他的DNA試管計(jì)算機(jī)更快地找到解決方案。以下是Adleman DNA計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)中采取的步驟：

　　DNA鏈代表七個(gè)城市。在基因中，遺傳編碼由字母A，T，C和G表示。這四個(gè)字母的某些序列代表了每個(gè)城市和可能的飛行路徑。

　　然后將這些分子混合在試管中，其中一些DNA鏈粘在一起。這些鏈條代表了一個(gè)可能的答案。

　　在幾秒鐘內(nèi)，代表答案的所有可能的DNA鏈組合都在試管中創(chuàng)建。

　　阿德曼通過化學(xué)反應(yīng)消除了錯(cuò)誤的分子，只留下了連接所有七個(gè)城市的飛行路徑。

　　AdlemanDNA計(jì)算機(jī)的成功證明了DNA可以用來計(jì)算復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題。然而，這種早期的DNA計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)未挑戰(zhàn)硅基計(jì)算機(jī)。 速度.Adleman的DNA計(jì)算機(jī)很快就創(chuàng)造了一組可能的答案，但Adleman花了幾天時(shí)間才縮小了可能性的范圍。他的DNA計(jì)算機(jī)的另一個(gè)缺點(diǎn)是它需要 人工協(xié)助.DNA計(jì)算領(lǐng)域的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)可以獨(dú)立于人類參與工作的設(shè)備。

　　在阿德勒曼的實(shí)驗(yàn)三年后，研究人員在 羅切斯特大學(xué) 發(fā)達(dá) 邏輯門 由DNA制成。邏輯門是計(jì)算機(jī)如何執(zhí)行您命令它執(zhí)行的功能的重要組成部分。這些門將通過計(jì)算機(jī)移動(dòng)的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)用于執(zhí)行操作的一系列信號(hào)。目前，邏輯門解釋來自 硅晶體管，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為允許計(jì)算機(jī)執(zhí)行復(fù)雜功能的輸出信號(hào)。

　　羅切斯特團(tuán)隊(duì)的DNA邏輯門是創(chuàng)建具有類似于電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)的第一步。 個(gè)人電腦.這些DNA邏輯門不是使用電信號(hào)來執(zhí)行邏輯操作，而是依賴于DNA代碼。他們檢測碎片 遺傳物質(zhì) 作為輸入，將這些片段拼接在一起并形成單個(gè)輸出。例如，一個(gè) 基因門 稱為“和門”通過化學(xué)結(jié)合將兩個(gè)DNA輸入連接起來，使它們被鎖定在一個(gè)端到端的結(jié)構(gòu)中，類似于兩個(gè)樂高積木可能被第三個(gè)樂高固定的方式。研究人員認(rèn)為，這些邏輯門可能與DNA微芯片相結(jié)合，在DNA計(jì)算方面取得突破。

　　DNA計(jì)算機(jī)組件 -- 邏輯門 和 生物芯片 - 需要數(shù)年時(shí)間才能發(fā)展成實(shí)用的，可行的DNA計(jì)算機(jī)?？茖W(xué)家說，如果這樣的計(jì)算機(jī)建成，它將比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更緊湊、更準(zhǔn)確、更高效。在下一節(jié)中，我們將研究DNA計(jì)算機(jī)如何超越其硅基前輩，以及這些計(jì)算機(jī)將執(zhí)行哪些任務(wù)。

　　超越硅?

　　盡管DNA計(jì)算機(jī)尚未超越硅基微處理器，但研究人員在使用遺傳密碼進(jìn)行計(jì)算方面取得了一些進(jìn)展。2003年，以色列科學(xué)家展示了一臺(tái)有限但功能正常的DNA計(jì)算機(jī)。您可以在以下位置閱讀更多相關(guān)信息 國家地理.

　　硅與DNA微處理器

　　40 多年來，硅微處理器一直是計(jì)算世界的核心。在那段時(shí)間里，制造商將越來越多的電子設(shè)備塞進(jìn)了他們的微處理器上。根據(jù) 摩爾定律，安裝在微處理器上的電子設(shè)備數(shù)量每 18 個(gè)月翻一番。摩爾定律以英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾的名字命名，他在1965年預(yù)測微處理器的復(fù)雜性每兩年翻一番。許多人預(yù)測摩爾定律很快就會(huì)走到盡頭，因?yàn)楣栉⑻幚砥鞯奈锢硭俣群托⌒突拗啤?/span>

　　DNA計(jì)算機(jī)有可能將計(jì)算提升到新的水平，從摩爾定律開始。使用DNA代替硅有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　只要有細(xì)胞生物，總會(huì)有 供應(yīng) 的脫氧核糖核酸。

　　DNA的大量供應(yīng)使其成為 便宜 資源。

　　與用于制造傳統(tǒng)微處理器的有毒材料不同，DNA生物芯片可以制造。 干凈.

　　DNA計(jì)算機(jī)是很多次 較小 比今天的計(jì)算機(jī)。

　　DNA的主要優(yōu)勢在于，它將使計(jì)算機(jī)比之前的任何計(jì)算機(jī)都小，同時(shí)保存更多的數(shù)據(jù)。一磅DNA能夠存儲(chǔ)比有史以來所有電子計(jì)算機(jī)更多的信息;使用DNA邏輯門的淚滴大小的DNA計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力將比世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大。超過10萬億個(gè)DNA分子可以放入不超過1立方厘米(0.06立方英寸)的區(qū)域。有了這少量的DNA，一臺(tái)計(jì)算機(jī)將能夠容納10 太字節(jié) 數(shù)據(jù)，并一次執(zhí)行 10 萬億次計(jì)算。通過添加更多的DNA，可以進(jìn)行更多的計(jì)算。

　　與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，DNA計(jì)算機(jī)執(zhí)行計(jì)算 平行 到其他計(jì)算。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是線性運(yùn)行的，一次承擔(dān)一項(xiàng)任務(wù)。正是并行計(jì)算使DNA能夠在數(shù)小時(shí)內(nèi)解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，而電子計(jì)算機(jī)可能需要數(shù)百年才能完成它們。

　　第一臺(tái)DNA計(jì)算機(jī)不太可能具有文字處理功能， 電子郵件 和紙牌程序。相反，它們強(qiáng)大的計(jì)算能力將被各國政府用于破解密碼，或者 航空公司 想要繪制更高效的路線。研究DNA計(jì)算機(jī)也可能使我們更好地了解更復(fù)雜的計(jì)算機(jī) - 人腦。

　　常見問題

　　誰發(fā)明了DNA計(jì)算?

　　DNA計(jì)算是由美國南加州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)和分子生物學(xué)教授倫納德·阿德勒曼(Leonard Adleman)于1994年發(fā)明的。