楊小虎

摘要：生物計算機(jī)具有體積小、效率高、消耗能量低、運(yùn)行速度快、具備自我修復(fù)等特點(diǎn)，是未來計算機(jī)發(fā)展的重要方向之一。該文介紹了生物計算機(jī)的概念提出，探討了生物計算機(jī)的特點(diǎn)，分析了未來生物計算機(jī)發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：生物計算機(jī)；生物芯片；仿生學(xué)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）33-7989-02

1 生物計算機(jī)

生物計算機(jī)也稱仿生計算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了生物芯片替代半導(dǎo)體硅片的新型計算機(jī)。該種計算機(jī)涉及多種學(xué)科領(lǐng)域，包括計算機(jī)科學(xué)、腦科學(xué)、分子生物學(xué)、生物物理、生物工程、電子工程等有關(guān)學(xué)科。20世紀(jì)70年代以來，人們發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸（DNA）處在不同的狀態(tài)下，可產(chǎn)生有信息和無信息的變化?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)生物元件可以實(shí)現(xiàn)邏輯電路中的0與1、晶體管的通導(dǎo)或截止、電壓的高或低、脈沖信號的有或無等等。經(jīng)過特殊培養(yǎng)后制成的生物芯片可作為一種新型高速計算機(jī)的集成電路[1]。

生物計算機(jī)的主要原材料是生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子，并以此作為生物芯片。生物芯片比硅芯片上的電子元件要小很多，而且生物芯片本身具有天然獨(dú)特的立體化結(jié)構(gòu)，其密度要比平面型的硅集成電路高五個數(shù)量級。讓幾萬億個DNA分子在某種酶的作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)就能使生物計算機(jī)同時運(yùn)行幾十億次。生物計算機(jī)芯片本身還具有并行處理的功能，其運(yùn)算速度要比當(dāng)今最新一代的計算機(jī)更快。生物芯片一旦出現(xiàn)故障，可以進(jìn)行自我修復(fù)，所以具有自愈能力。生物計算機(jī)具有生物活性，能夠和人體的組織有機(jī)地結(jié)合起來，尤其是能夠與大腦和神經(jīng)系統(tǒng)相連。這樣，生物計算機(jī)就可直接接受大腦的綜合指揮，成為人腦的輔助裝置或擴(kuò)充部分，并能由人體細(xì)胞吸收營養(yǎng)補(bǔ)充能量，因而不需要外界能源。它將成為能植入人體內(nèi)，成為幫助人類學(xué)習(xí)、思考、創(chuàng)造、發(fā)明的最理想的伙伴。另外，由于生物芯片內(nèi)流動電子間碰撞的可能極小，幾乎不存在電阻，所以生物計算機(jī)的能耗極小。

生物計算機(jī)是全球高科技領(lǐng)域最具活力和發(fā)展?jié)摿Φ囊婚T學(xué)科，通過生物、計算機(jī)、電子工程等學(xué)科的專家通力合作，有可能在本世紀(jì)將實(shí)用的生物計算機(jī)推向世界。

2 生物計算機(jī)特點(diǎn)

2.1 生物計算機(jī)的存儲與并行處理

生物計算機(jī)在存儲方面與傳統(tǒng)電子學(xué)計算機(jī)相比具有巨大優(yōu)勢。一克DNA存儲信息量可與一萬億張CD相當(dāng)，存儲密度是通常使用磁盤存儲器的1000億到10000億倍。

生物計算機(jī)還具有超強(qiáng)的并行處理能力，通過一個狹小區(qū)域的生物化學(xué)反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，數(shù)百億個DNA分子構(gòu)成大批DNA計算機(jī)并行操作，生物計算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)與通訊過程簡單，其并行處理能力可與超級電子計算機(jī)媲美，通過DNA分子堿基不同的排列次序作為計算機(jī)的原始數(shù)據(jù)，對應(yīng)的酶通過生物化學(xué)變化對DNA堿基進(jìn)行基本操作，能夠?qū)崿F(xiàn)電子學(xué)計算機(jī)的各種功能。生物計算機(jī)中含有大量遺傳物質(zhì)工具，能夠同時進(jìn)行上百萬次計算。傳統(tǒng)電子計算機(jī)是以電流速度逐個檢驗(yàn)所有可能的解決方案，生物計算機(jī)同時處理各分子庫中的所有分子，無需按照次序分析可能的答案。電子計算機(jī)相當(dāng)于有一串鑰匙，一次用一把鑰匙開鎖，生物計算機(jī)在開鎖時一次用幾百萬把鑰匙，其計算速度也將比現(xiàn)有超級計算機(jī)快100萬倍。生物計算機(jī)運(yùn)算次數(shù)可高達(dá)每秒1020或更高，進(jìn)一步研制并結(jié)合其它高新技術(shù)，生物計算機(jī)具有廣闊前景。

2.2 生物計算機(jī)的芯片永久性

蛋白質(zhì)分子可以自我組合，能夠新生出微型電路，具有活性，因此生物計算機(jī)擁有生物特性。生物計算機(jī)不再像電子計算機(jī)那樣，芯片損壞后無法自動修復(fù)，生物計算機(jī)能夠發(fā)揮生物調(diào)節(jié)機(jī)能，自動修復(fù)受損芯片。因此，生物計算機(jī)可靠性非常高，不易損壞，即使芯片發(fā)生故障，也可以自動修復(fù)。因此，生物計算機(jī)芯片具有一定的永久性。

2.3 生物計算機(jī)硬件

目前最可能成為生物計算機(jī)運(yùn)算單元的，是DNA（脫氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）。由于DNA本身是依靠A、T、G、C四個獨(dú)立堿基構(gòu)成，形成了一個四進(jìn)制組合，與目前半導(dǎo)體開合動作所形成的二進(jìn)制類似?？茖W(xué)家使用酶作為生物計算機(jī)的“硬件”，DNA作為其“軟件”，輸入和輸出的“數(shù)據(jù)”都是DNA鏈，把溶有這些成分的溶液恰當(dāng)?shù)鼗旌?，就可以在試管中自動發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)行“運(yùn)算”[2]。

生物計算機(jī)硬件需要操作DNA分子的酶分子，限制性內(nèi)切酶主要用于切開包含限制性位點(diǎn)雙鏈DNA，鏈接酶則是實(shí)現(xiàn)DNA鏈的端點(diǎn)鏈接，聚合酶用于復(fù)制與合成DNA，外切酶選擇性破壞雙鏈或單鏈DNA分子。隨著生物計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，還有許多酶正在逐漸開發(fā)和應(yīng)用。近年來正在研制的DNA酶，是一種識別DNA單鏈特殊位點(diǎn)并切開的酶。限制性內(nèi)切酶有很大的應(yīng)用空間， 利用不同的酶可以開發(fā)出不同的算法； 如McrBC （ Nicking Endonu cleases） 可以識別兩個距離很遠(yuǎn)的甲基化位點(diǎn)并在其中間的特殊位點(diǎn)切開。廣義上講， 能對DNA 分子進(jìn)行特異性操作的分子和溶液系統(tǒng)以及其他任何系統(tǒng)都構(gòu)成DNA 計算機(jī)的硬件。這些硬件系統(tǒng)將逐步由現(xiàn)在的試管溶液系統(tǒng)過渡到容易實(shí)現(xiàn)高度自動化的芯片系統(tǒng)。

2.4 生物計算機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

DNA是由核苷酸單元組成，核苷酸隨著其化學(xué)組或堿基的不同而分類。DNA有四種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶與胸腺嘧啶，用A、G、C、T表示。多個核苷酸順序排列形成DNA數(shù)據(jù)鏈。電子計算機(jī)屬于0、1編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)鏈，而DNA的數(shù)據(jù)密度更大，堿基沿著DNA分子鏈方向的空間距離為0.35nm。即使1nm2一個堿基，DNA數(shù)據(jù)密度155000Gb/cm2。目前，普通硬盤數(shù)據(jù)密度為1Gb，DNA二維數(shù)據(jù)密度將是普通硬盤數(shù)據(jù)密度的15萬倍[3]。

DNA鏈的另一個重要性質(zhì)是雙螺旋結(jié)構(gòu)，A堿基與T堿基、C堿基與G堿基形成堿基對。每個DNA序列有一個互補(bǔ)序列。這種互補(bǔ)性是生物計算機(jī)具備獨(dú)特優(yōu)勢。如果錯誤發(fā)生在DNA某一雙螺旋序列中，修改酶能夠參考互補(bǔ)序列對錯誤進(jìn)行修復(fù)。雙螺旋結(jié)構(gòu)相當(dāng)于計算機(jī)硬盤RAID1陣列，一塊硬盤位另一塊硬盤的鏡像，當(dāng)?shù)谝粔K硬盤破壞時，可通過第二塊硬盤進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)。生物計算機(jī)自身具備修改錯誤特性，因此，生物計算機(jī)數(shù)據(jù)錯誤率較低。

3 發(fā)展前景

當(dāng)今生物計算機(jī)發(fā)展非?；钴S，不遠(yuǎn)的未來，生物計算機(jī)將能夠開發(fā)其自身的“語言”，實(shí)現(xiàn)4進(jìn)制編碼，還可以與生命系統(tǒng)相融合，完成更多目前電子計算機(jī)所不能完成的任務(wù)。

1983年美國提出了生物計算機(jī)的概念。此后，各個發(fā)達(dá)國家開始研制生物計算機(jī)。 生物學(xué)家將仿生學(xué)運(yùn)用到生物計算機(jī)領(lǐng)域，產(chǎn)生了生物化學(xué)分子構(gòu)架生物計算機(jī)的觀點(diǎn)。

生物計算機(jī)的研究方向主要分兩類：一是分子計算機(jī)，即制造有機(jī)分子元件去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體元件；二是進(jìn)一步將人腦的結(jié)構(gòu)、思維規(guī)律與人工智能相結(jié)合，構(gòu)想出生物計算機(jī)結(jié)構(gòu)。生物計算機(jī)所研究的內(nèi)容還包括：生物分子或超分子芯片；與生物現(xiàn)象類比的自動機(jī)模式；以生物智能為基礎(chǔ)的仿生算法、可控生化反應(yīng)的生物化學(xué)算法、DNA計算機(jī)、采用各種生物化學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的細(xì)胞計算機(jī)等等。生物計算機(jī)研究方向中最關(guān)鍵的一環(huán)是尋找關(guān)鍵DNA， DNA是控制生命的最終核心，并且能儲存巨大信息，因此尋找或人工制造符合計算機(jī)需求的DNA是此領(lǐng)域的一個關(guān)鍵[4]。

生物計算機(jī)目前仍舊處于蓬勃興起階段，國內(nèi)外正在積極地研制新型生物芯片。盡管生物計算機(jī)尚未有取得重大顛覆性的進(jìn)展，甚至部分學(xué)者提出生物計算機(jī)目前出現(xiàn)的一系列缺點(diǎn)，例如遺傳物質(zhì)的生物計算機(jī)受外界環(huán)境因素的干擾、計算結(jié)果無法檢測、生物化學(xué)反應(yīng)無法保證成功率等，此外，以蛋白質(zhì)分子為主的芯片上很難運(yùn)行文本編輯器。但這些并不影響生物計算機(jī)這個存在巨大誘惑的領(lǐng)域的快速發(fā)展，隨著人類技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問題終究會被解決，生物計算機(jī)商業(yè)化繁榮將到來。

參考文獻(xiàn)：

[1] Tamar Ratner，Ron Piran，Natasha Jonoska，Ehud Keinan.Biologically Relevant Molecular Transducer with Increased Computing Power and Iterative Abilities. Chemistry & Biology， 2013； 20 （5）： 726 DOI： 10.1016/j.chembiol.2013.02.016.

[2] Watson J D，Berry A.DNA生命的秘密[M].北京：上海人民出版社，2010.

[3] M.謝納.生物芯片分析[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[4] Dan E Krane，Michael L Raymer.生物信息學(xué)概論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.