我們日常接觸到的計算機大多是由矽和晶體管構成。随着科技的發展，科學家已在嘗試超越電子計算機，利用生物分子來實現計算機的功能。

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”，以分子之間的化學反應作為“算法”。相較于傳統電子計算機，DNA計算機具有體積小、運算速度快、能耗極低等優勢。自1994年“DNA計算機”的概念誕生以來，其優點被越來越多的科學家所認識，紛紛投入到該領域的研究中。

待到DNA計算技術成熟的那一天，它或可随人意念而動，利用人體本身的能量，來完成電子計算機難以實現的醫療診斷和治療任務，或将給人類文明帶來質的飛躍。

然而，每一項可能帶來劃時代改變的科學技術，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曆的發展曆程。

DNA計算機運行原理示意圖。圖/The Conversation Trust(UK)Limited

呱呱墜地

1994年的這個夜晚，注定會被DNA計算史銘記。美國南加州大學計算機科學家雷納德·阿德勒曼對着著名生物學家詹姆士·沃森的DNA教科書《基因分子生物學》發出感慨：“DNA真是一種不可思議的東西。”一旁的妻子開玩笑道：“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：“人體細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。我們當然可以利用DNA來完成計算機高速運算的任務。”當年10月，他就在《科學》雜志上發表了一篇題為《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分子構建計算機，完成計算任務。

不久，阿德勒曼設計并構建的第一台利用DNA進行運算的計算機誕生了。為了證明這台DNA計算機的實用性，他将其用于解決一個經典數學問題，并在一周之内完成了這項當時半導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。

蹒跚學步

2001年，以色列魏茨曼科學研究所的科學家在《自然》雜志上報道了一種由DNA分子和酶分子構成的微型“生物計算機”，其中酶為計算機“硬件”，DNA為“軟件”，輸入和輸出的“數據”都是DNA鍊。

與以往研制的一些DNA計算機不同，這是第一台不需要人工幹預、能夠自動運算的DNA計算機。“我們已建立一種由生物分子所組成的納米級計算機，由于體積超小，無法隻單獨運行一台來執行任務。”以色列魏茨曼科學研究所的艾哈德·夏皮羅教授表示，當數兆台計算機同時被激活時，它們就可執行數十億個運算作業。

然而，直至今日，DNA計算機的研制仍處于起步階段，現在判斷這種DNA計算機是否有實用價值還為時尚早。要将其應用到臨床，例如幫助基因組測序、進入生物體内尋找異常現象，或有目的地釋放或合成藥物等，可能還需要等待數十年。

（圖片來源：pixabay）

豆蔻年華

基于DNA分子和酶分子混合物的DNA計算機面臨着諸多瓶頸。比如，酶分子價格昂貴，且需要溫和的反應條件。這使得之前在實驗室裡制造的生化電路普遍具有局限性。2006年，美國加州理工大學埃裡克·溫弗裡教授研究組提出了一種新型DNA分子元件來構造DNA計算機，這一分子元件的結構非常簡單且标準化、運作穩定，容易升級。

“DNA分子在溶液中自由運動，有時會碰撞在一起。”溫弗裡說，“如果兩個相遇的DNA分子有着互補的序列，單鍊就會扣在半雙鍊多出來的單鍊上，并将之前的半雙鍊解開，釋放出一個新的自由單鍊。”這樣的過程會持續下去，直到獲得足夠的輸出信号為止。通過多個DNA反應的級聯，就可組成具有多層電路結構的DNA計算機。

埃裡克·溫弗裡教授利用這種DNA分子元件建立了AND、OR和NOT邏輯門。在這一階段，這種DNA計算機隻有12個不同的DNA分子，從原先一個單獨的邏輯門擴展到五層電路，但運算速度卻降低了好幾個數量級。

風華正茂

2011年至今，DNA計算機展現出驚人魅力。2011年，華人科學家錢璐璐在實驗室中使用DNA分子構建了人工神經網絡。基于DNA鍊置換反應，這種位于試管中的人工智能系統構建了具有反饋功能的霍普菲爾德神經網絡，利用四個DNA構建的神經元實現了“讀心”遊戲，即通過幾個簡單的問題，就能夠“猜測”對方心中所想的内容。

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由電子計算機驗證過的成功理念，并把它們應用到分子生物學當中。”很快，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。

随後，錢璐璐在前一個“試管人工智能”的基礎上，開發了一種名叫“赢者通吃”的由DNA制成的人工神經網絡，并解決了機器學習界的經典問題——識别手寫數字。這項工作是證實人工智能與DNA電路結合的一個重要步驟。

未來，科學家或許會研制出完全由生物材料制成的類人機器人，而不是當前大衆傳統認知的基于半導體和晶體管的機器人。

作者：曹夢瑤（華東師範大學化學與分子工程學院博士研究生）

編輯：許琦敏

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