[科普中國]-DNA計(jì)算

發(fā)展

DNA計(jì)算是伴隨著分子生物學(xué)的興起和發(fā)展而出現(xiàn)的。1994年，美國加利福尼亞大學(xué)的Adleman博士在《科學(xué)》期刊上首次發(fā)表了關(guān)于DNA分子生物計(jì)算方法的開創(chuàng)性文章，他通過生化方法求解了7個頂點(diǎn)的哈密頓回路問題，顯示了用DNA進(jìn)行特定目的計(jì)算的可行性，其新穎性不僅僅在于算法，也不僅僅在于速度，而在于采用了迄今為止還沒有作為計(jì)算機(jī)硬件的生物技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。這篇文章引起了許多學(xué)者尤其是計(jì)算機(jī)科學(xué)家的興趣，隨后，Lipton等學(xué)者也很快地提出了基于DNA模型的DNA算法，近年來該領(lǐng)域更是吸引了眾多學(xué)者的目光。

目前DNA計(jì)算研究已涉及許多方面，如DNA計(jì)算的能力、模型和算法等。最近也有學(xué)者開始將DNA計(jì)算與遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)和混沌系統(tǒng)等智能計(jì)算方法相結(jié)合。DNA計(jì)算的許多研究等待著各個學(xué)科的合作研究，如生物學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程等，目前許多領(lǐng)域的科學(xué)家正在協(xié)調(diào)合作將這一理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。2

數(shù)學(xué)機(jī)理盡管生物和數(shù)學(xué)有各自的復(fù)雜性，但近年來，由生物學(xué)和數(shù)學(xué)這兩大領(lǐng)域交叉得到了一個跨學(xué)科的領(lǐng)域——數(shù)學(xué)生物學(xué)。數(shù)學(xué)手段可用于研究生物學(xué)，生物學(xué)工具也可用來解答數(shù)學(xué)問題。Adleman實(shí)驗(yàn)即是利用生物學(xué)工具得出了一個數(shù)學(xué)問題的解。從這個例子中可看出，生物數(shù)學(xué)的思想包含著兩個過程：

①生物體所具有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)實(shí)際上是編碼在DNA序列中的原始信息經(jīng)過一些簡單的處理后得到的，或者說，經(jīng)過一系列DNA簡單操作可得出一個復(fù)雜的結(jié)果；

②求一個含變量w的可計(jì)算函數(shù)的值也可以通過求一系列含變量w的簡單函數(shù)的復(fù)合來實(shí)現(xiàn)，即通過對w運(yùn)用簡單的函數(shù)關(guān)系可獲得對w的復(fù)雜函數(shù)f(W)的結(jié)果。

從DNA計(jì)算的原理和一些生物操作工具來看，與數(shù)學(xué)操作非常類似。單股DNA可看作由4種不同符號A、T、C和G組成的串，就像電子計(jì)算機(jī)中編碼“0”和“1”一樣，可表示成4字母的集合 ={A，G，C，T}來譯碼信息。DNA串可作為譯碼信息，在DNA序列上可執(zhí)行一些簡單操作，這些操作是通過大量能處理一些基本任務(wù)的酶來完成的。也就是說，酶可看作模擬在DNA序列上簡單的計(jì)算。不同的酶用于不同的算子，如限制內(nèi)核酸酶可作為分離算子，能夠識別特定的DNA短序列，即限制位。任何一個在其序列中包含限制位的雙鏈DNA，在限制位處被酶切斷。DNA連接酶可作為綁結(jié)算子，將一條DNA鏈的末端連接到另外一條DNA鏈。DNA聚合酶有一些功能，包括可作為復(fù)制算子復(fù)制DNA。復(fù)制反應(yīng)需要一個單鏈的向?qū)NA，即模板DNA，和一個稍短的被稱為引物的寡聚核苷酸，且與模板相連。在這些條件下，DNA聚合酶對DNA的合成有催化作用，是通過在引物的末端連續(xù)不斷地添加核苷酸來實(shí)現(xiàn)的。外核酸酶可作為刪除算子等。從DNA計(jì)算和數(shù)學(xué)之間的聯(lián)系可以說明，數(shù)學(xué)作為自然科學(xué)的桂冠也許與自然發(fā)展的最高形式——生命本身就有著天然的聯(lián)系。3

研究內(nèi)容DNA計(jì)算的研究屬于生物學(xué)、遺傳學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論和智能科學(xué)等學(xué)科的交叉領(lǐng)域。其研究內(nèi)容很深，涉及的范圍很廣。目前，DNA計(jì)算的研究內(nèi)容主要集中在以下幾個方面。

(1)DNA計(jì)算的生物工具和算法實(shí)現(xiàn)技術(shù)

(2)DNA計(jì)算的模型 主要考慮各種DNA計(jì)算的理論模型，討論它們的計(jì)算能力和數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)等。

(3)DNA計(jì)算機(jī)的基本計(jì)算 主要研究DNA的布爾電路運(yùn)算、數(shù)字DNA、算術(shù)運(yùn)算、分子乘、分子編程和應(yīng)用等方面。

(4)DNA計(jì)算與軟計(jì)算的集成 基于DNA機(jī)理，闡述DNA計(jì)算與軟計(jì)算集成的技術(shù)和方法，主要有面向智能系統(tǒng)的人工DNA模型、基于DNA機(jī)理的智能系統(tǒng)和基于人工DNA模型的計(jì)算智能理論及其應(yīng)用方法，并將其應(yīng)用于智能系統(tǒng)的在線學(xué)習(xí)、優(yōu)化和控制。

(5)DNA智能計(jì)算機(jī) 國外許多學(xué)者認(rèn)為，DNA計(jì)算的研究為人類研制分子計(jì)算機(jī)奠定基礎(chǔ)?；贒NA計(jì)算的智能系統(tǒng)將會架設(shè)DNA計(jì)算與智能系統(tǒng)研究的橋梁，在DNA智能計(jì)算機(jī)等相關(guān)研究中起一些墊腳石作用。DNA計(jì)算與軟計(jì)算的集成，將為DNA智能計(jì)算機(jī)提供一條很好的實(shí)現(xiàn)途徑。DNA智能計(jì)算機(jī)可徹底解決現(xiàn)有計(jì)算機(jī)所無法實(shí)現(xiàn)的智能運(yùn)算功能。3

優(yōu)點(diǎn)首先，DNA計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)相比，最大的優(yōu)勢在于它的并行計(jì)算能力。不論是DNA計(jì)算機(jī)還是電子計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度都是取決于兩個因素：①它的并行處理能力；②單位時間內(nèi)的運(yùn)算步驟。DNA計(jì)算機(jī)具有巨大的并行處理能力。目前最快的巨型機(jī)每秒能執(zhí)行 次操作。而在Adleman的初始實(shí)驗(yàn)中，通過適當(dāng)估計(jì)，DNA串的并行操作數(shù)目可達(dá)。許多研究者認(rèn)為，用當(dāng)前技術(shù) ～ 個DNA串的并行操作是可以達(dá)到的。對DNA計(jì)算來說，每一步獨(dú)立操作的實(shí)現(xiàn)(如提取DNA鏈)，都要花費(fèi)幾分鐘甚至幾小時。與每秒可以執(zhí)行萬億次操作的超級計(jì)算機(jī)比較，DNA計(jì)算每一步花費(fèi)的時間，看起來不能令人信服。雖然DNA計(jì)算的每個操作本身與電子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)相比非常緩慢，然而，DNA計(jì)算真正的能力在于其固有的并行機(jī)制。每步操作不是在一條DNA鏈上進(jìn)行的，而是在許多條DNA鏈上同步進(jìn)行的，DNA反應(yīng)的巨大并行性足以補(bǔ)償當(dāng)前巨型機(jī)或更強(qiáng)的計(jì)算要求。

其次，DNA計(jì)算有很高的能量效率和存貯容量。電子計(jì)算機(jī)操作過程效率非常低，計(jì)算機(jī)浪費(fèi)了它們產(chǎn)生的許多熱能量。巨型機(jī)執(zhí)行10^9次操作需要1焦耳能量，而用于實(shí)現(xiàn)DNA計(jì)算操作的酶，是在進(jìn)化中產(chǎn)生的，具有很高的能量效率，1焦耳的能量足以執(zhí)行次2×10^19次操作。另外，DNA分子允許非常高的信息存貯密度1位/nm3，而當(dāng)前錄像帶的信息存貯密度僅為1位/12^12nm3。此外，嘗試開發(fā)實(shí)際的DNA計(jì)算能促進(jìn)生物學(xué)和生物化學(xué)獲得更靈活的操作和更可靠的技術(shù)。3

存在問題實(shí)際設(shè)計(jì)一臺DNA計(jì)算機(jī)的障礙主要來自于兩個方面。

(1)物理上 處理大規(guī)模系統(tǒng)和復(fù)制時的誤差。誤差來自于幾個方面．如DNA串在傳輸中會物理丟失、DNA并不總是像我們期望的那樣工作(如基對之間的綁結(jié)等)。另外，DNA計(jì)算框架用生物學(xué)和生物技術(shù)的PcR操作來實(shí)現(xiàn)，PcR擴(kuò)增是一種循環(huán)過程，其可靠性只有95%。理論上，每次PCR循環(huán)中，不僅前一循環(huán)后已帶有錯誤堿基的拷貝數(shù)量會加倍，而且還會產(chǎn)生新的錯誤拷貝。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，DNA雙鏈中不含任何錯誤堿基的拷貝比例在產(chǎn)物中會越來越小。研究者們現(xiàn)在已意識到這些誤差問題，并正考慮許多激動人心的補(bǔ)償措施，如仔細(xì)編碼能使DNA更好地工作、用其他技術(shù)進(jìn)行操作、考慮最優(yōu)的反應(yīng)環(huán)境、用重復(fù)元件和實(shí)驗(yàn)來增加可靠性、用其他宏觀分子，如RNA或DNA合成的變形作為信息載體等。

(2)邏輯上 適應(yīng)廣泛種類計(jì)算問題的多用性和有效性。對于各種計(jì)算問題，怎樣尋找一種直接的翻譯方式，變換成DNA計(jì)算系統(tǒng)，也即DNA生物化學(xué)反應(yīng)的運(yùn)算途徑，以至鑒別和輸出最優(yōu)解技術(shù)路線，使得DNA計(jì)算機(jī)適應(yīng)廣闊的計(jì)算問題，并具實(shí)用性。雖然DNA計(jì)算機(jī)被證明是通用計(jì)算機(jī)，但DNA計(jì)算機(jī)在所有實(shí)際應(yīng)用中不可能替代電子計(jì)算機(jī)。最佳的方案是高度并行任務(wù)用DNA計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，而固有的串行工作仍應(yīng)由電子計(jì)算機(jī)完成。

雖然目前DNA計(jì)算機(jī)與發(fā)展了半個多世紀(jì)的電子計(jì)算機(jī)相比，確實(shí)是相形見絀。但是．分子計(jì)算的觀念拓寬了人們對自然計(jì)算現(xiàn)象的理解，尤其是對生物學(xué)中的基本算法的理解。同時，分子計(jì)算觀念的提出向眾多領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。對于生物學(xué)和化學(xué)，在于理解細(xì)胞和分子機(jī)制，使它們有益于作為分子算法的基礎(chǔ)。對于計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)，在于尋找適當(dāng)?shù)膯栴}和有效的分子算法去解決它們。對于物理學(xué)和工程學(xué)，在于構(gòu)建大規(guī)模的可信的分子計(jì)算機(jī)。3