dna计算机的未来（一出生就能一周算完电脑两年完成的难题）

我们日常接触到的计算机大多是由硅和晶体管构成。随着科技的发展，科学家已在尝试超越电子计算机，利用生物分子来实现计算机的功能。

不同于常见的电子计算机，DNA计算机是一种生物形式的计算机，以DNA分子作为“硬件”，以分子之间的化学反应作为“算法”。相较于传统电子计算机，DNA计算机具有体积小、运算速度快、能耗极低等优势。自1994年“DNA计算机”的概念诞生以来，其优点被越来越多的科学家所认识，纷纷投入到该领域的研究中。

待到DNA计算技术成熟的那一天，它或可随人意念而动，利用人体本身的能量，来完成电子计算机难以实现的医疗诊断和治疗任务，或将给人类文明带来质的飞跃。

然而，每一项可能带来划时代改变的科学技术，都不是一蹴而就的，DNA计算机从诞生至今已走过了28个年头。小编带你精简回顾它所经历的发展历程。

DNA计算机运行原理示意图。图/The Conversation Trust(UK)Limited

呱呱坠地

1994年的这个夜晚，注定会被DNA计算史铭记。美国南加州大学计算机科学家雷纳德·阿德勒曼对着著名生物学家詹姆士·沃森的DNA教科书《基因分子生物学》发出感慨：“DNA真是一种不可思议的东西。”一旁的妻子开玩笑道：“说不定它能做成计算机呢！”

这句话突然使阿德勒曼灵光闪现：“人体细胞和计算机处理与储存信息的方式如此相似。计算机以0和1组成字符串存储库，而生物体以A、T、C、G表示的分子存储信息。我们当然可以利用DNA来完成计算机高速运算的任务。”当年10月，他就在《科学》杂志上发表了一篇题为《组合问题的生物电脑解决方案》的论文，首次提出分子计算机的概念，即用DNA分子构建计算机，完成计算任务。

不久，阿德勒曼设计并构建的第一台利用DNA进行运算的计算机诞生了。为了证明这台DNA计算机的实用性，他将其用于解决一个经典数学问题，并在一周之内完成了这项当时半导体计算机需要花费两年才能解决的问题。就这样，DNA计算机的雏形诞生了。

蹒跚学步

2001年，以色列魏茨曼科学研究所的科学家在《自然》杂志上报道了一种由DNA分子和酶分子构成的微型“生物计算机”，其中酶为计算机“硬件”，DNA为“软件”，输入和输出的“数据”都是DNA链。

与以往研制的一些DNA计算机不同，这是第一台不需要人工干预、能够自动运算的DNA计算机。“我们已建立一种由生物分子所组成的纳米级计算机，由于体积超小，无法只单独运行一台来执行任务。”以色列魏茨曼科学研究所的艾哈德·夏皮罗教授表示，当数兆台计算机同时被激活时，它们就可执行数十亿个运算作业。

然而，直至今日，DNA计算机的研制仍处于起步阶段，现在判断这种DNA计算机是否有实用价值还为时尚早。要将其应用到临床，例如帮助基因组测序、进入生物体内寻找异常现象，或有目的地释放或合成药物等，可能还需要等待数十年。

（图片来源：pixabay）

豆蔻年华

基于DNA分子和酶分子混合物的DNA计算机面临着诸多瓶颈。比如，酶分子价格昂贵，且需要温和的反应条件。这使得之前在实验室里制造的生化电路普遍具有局限性。2006年，美国加州理工大学埃里克·温弗里教授研究组提出了一种新型DNA分子元件来构造DNA计算机，这一分子元件的结构非常简单且标准化、运作稳定，容易升级。

“DNA分子在溶液中自由运动，有时会碰撞在一起。”温弗里说，“如果两个相遇的DNA分子有着互补的序列，单链就会扣在半双链多出来的单链上，并将之前的半双链解开，释放出一个新的自由单链。”这样的过程会持续下去，直到获得足够的输出信号为止。通过多个DNA反应的级联，就可组成具有多层电路结构的DNA计算机。

埃里克·温弗里教授利用这种DNA分子元件建立了AND、OR和NOT逻辑门。在这一阶段，这种DNA计算机只有12个不同的DNA分子，从原先一个单独的逻辑门扩展到五层电路，但运算速度却降低了好几个数量级。

风华正茂

2011年至今，DNA计算机展现出惊人魅力。2011年，华人科学家钱璐璐在实验室中使用DNA分子构建了人工神经网络。基于DNA链置换反应，这种位于试管中的人工智能系统构建了具有反馈功能的霍普菲尔德神经网络，利用四个DNA构建的神经元实现了“读心”游戏，即通过几个简单的问题，就能够“猜测”对方心中所想的内容。

钱璐璐说：“我们试图借鉴那些算法、编程语言和编译器之类已经由电子计算机验证过的成功理念，并把它们应用到分子生物学当中。”很快，能够模仿大脑工作形成自己“记忆”的DNA计算机就见诸于报道。

随后，钱璐璐在前一个“试管人工智能”的基础上，开发了一种名叫“赢者通吃”的由DNA制成的人工神经网络，并解决了机器学习界的经典问题——识别手写数字。这项工作是证实人工智能与DNA电路结合的一个重要步骤。

未来，科学家或许会研制出完全由生物材料制成的类人机器人，而不是当前大众传统认知的基于半导体和晶体管的机器人。

作者：曹梦瑶（华东师范大学化学与分子工程学院博士研究生）

编辑：许琦敏