生物計算機特點及未來發(fā)展

楊小虎

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

關鍵詞：生物計算機；生物芯片；仿生學

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

1 生物計算機

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

生物計算機的主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，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特的立體化結構，其密度要比平面型的硅集成電路高五個數量級。讓幾萬億個DNA分子在某種酶的作用下進行化學反應就能使生物計算機同時運行幾十億次。生物計算機芯片本身還具有并行處理的功能，其運算速度要比當今最新一代的計算機更快。生物芯片一旦出現故障，可以進行自我修復，所以具有自愈能力。生物計算機具有生物活性，能夠和人體的組織有機地結合起來，尤其是能夠與大腦和神經系統(tǒng)相連。這樣，生物計算機就可直接接受大腦的綜合指揮，成為人腦的輔助裝置或擴充部分，并能由人體細胞吸收營養(yǎng)補充能量，因而不需要外界能源。它將成為能植入人體內，成為幫助人類學習、思考、創(chuàng)造、發(fā)明的最理想的伙伴。另外，由于生物芯片內流動電子間碰撞的可能極小，幾乎不存在電阻，所以生物計算機的能耗極小。

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

2 生物計算機特點

2.1 生物計算機的存儲與并行處理

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

生物計算機還具有超強的并行處理能力，通過一個狹小區(qū)域的生物化學反應可以實現邏輯運算，數百億個DNA分子構成大批DNA計算機并行操作，生物計算機傳輸數據與通訊過程簡單，其并行處理能力可與超級電子計算機媲美，通過DNA分子堿基不同的排列次序作為計算機的原始數據，對應的酶通過生物化學變化對DNA堿基進行基本操作，能夠實現電子學計算機的各種功能。生物計算機中含有大量遺傳物質工具，能夠同時進行上百萬次計算。傳統(tǒng)電子計算機是以電流速度逐個檢驗所有可能的解決方案，生物計算機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。電子計算機相當于有一串鑰匙，一次用一把鑰匙開鎖，生物計算機在開鎖時一次用幾百萬把鑰匙，其計算速度也將比現有超級計算機快100萬倍。生物計算機運算次數可高達每秒1020或更高，進一步研制并結合其它高新技術，生物計算機具有廣闊前景。

2.2 生物計算機的芯片永久性

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

2.3 生物計算機硬件

目前最可能成為生物計算機運算單元的，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四個獨立堿基構成，形成了一個四進制組合，與目前半導體開合動作所形成的二進制類似?？茖W家使用酶作為生物計算機的“硬件”，DNA作為其“軟件”，輸入和輸出的“數據”都是DNA鏈，把溶有這些成分的溶液恰當地混合，就可以在試管中自動發(fā)生反應，進行“運算”[2]。

生物計算機硬件需要操作DNA分子的酶分子，限制性內切酶主要用于切開包含限制性位點雙鏈DNA，鏈接酶則是實現DNA鏈的端點鏈接，聚合酶用于復制與合成DNA，外切酶選擇性破壞雙鏈或單鏈DNA分子。隨著生物計算機技術發(fā)展，還有許多酶正在逐漸開發(fā)和應用。近年來正在研制的DNA酶，是一種識別DNA單鏈特殊位點并切開的酶。限制性內切酶有很大的應用空間， 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的甲基化位點并在其中間的特殊位點切開。廣義上講， 能對DNA 分子進行特異性操作的分子和溶液系統(tǒng)以及其他任何系統(tǒng)都構成DNA 計算機的硬件。這些硬件系統(tǒng)將逐步由現在的試管溶液系統(tǒng)過渡到容易實現高度自動化的芯片系統(tǒng)。

2.4 生物計算機的數據結構

DNA是由核苷酸單元組成，核苷酸隨著其化學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數據鏈。電子計算機屬于0、1編碼的二進制數據鏈，而DNA的數據密度更大，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數據密度155000Gb/cm2。目前，普通硬盤數據密度為1Gb，DNA二維數據密度將是普通硬盤數據密度的15萬倍[3]。

DNA鏈的另一個重要性質是雙螺旋結構，A堿基與T堿基、C堿基與G堿基形成堿基對。每個DNA序列有一個互補序列。這種互補性是生物計算機具備獨特優(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序列對錯誤進行修復。雙螺旋結構相當于計算機硬盤RAID1陣列，一塊硬盤位另一塊硬盤的鏡像，當第一塊硬盤破壞時，可通過第二塊硬盤進行數據修復。生物計算機自身具備修改錯誤特性，因此，生物計算機數據錯誤率較低。

3 發(fā)展前景

當今生物計算機發(fā)展非?；钴S，不遠的未來，生物計算機將能夠開發(fā)其自身的“語言”，實現4進制編碼，還可以與生命系統(tǒng)相融合，完成更多目前電子計算機所不能完成的任務。

1983年美國提出了生物計算機的概念。此后，各個發(fā)達國家開始研制生物計算機。 生物學家將仿生學運用到生物計算機領域，產生了生物化學分子構架生物計算機的觀點。

生物計算機的研究方向主要分兩類：一是分子計算機，即制造有機分子元件去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半導體元件；二是進一步將人腦的結構、思維規(guī)律與人工智能相結合，構想出生物計算機結構。生物計算機所研究的內容還包括：生物分子或超分子芯片；與生物現象類比的自動機模式；以生物智能為基礎的仿生算法、可控生化反應的生物化學算法、DNA計算機、采用各種生物化學技術實現的細胞計算機等等。生物計算機研究方向中最關鍵的一環(huán)是尋找關鍵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需求的DNA是此領域的一個關鍵[4]。

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

參考文獻：

[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：科學出版社，2004.

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