技術極大地影響了科學的發(fā)展。 賈涅克布羅斯 / 蓋蒂圖片社

　　即使在您閱讀本文時，計算機芯片制造商也在瘋狂地競相制造下一個 微處理器 這將推翻速度記錄。不過，這場競爭遲早會碰壁。由硅制成的微處理器最終將達到其速度和小型化的極限。芯片制造商需要一種新材料來產(chǎn)生更快的計算速度。

　　你不會相信科學家在哪里找到了構(gòu)建下一代微處理器所需的新材料。數(shù)以百萬計的自然超級計算機存在于生物體內(nèi)，包括你的身體。DNA(脫氧核糖核酸)分子，即構(gòu)成我們基因的材料，有可能比世界上最強大的人造計算機快很多倍。有朝一日，DNA可能會被整合到計算機芯片中，創(chuàng)造出一種所謂的生物芯片，將推動計算機更快。DNA分子已經(jīng)被利用來執(zhí)行復雜的數(shù)學問題。

　　雖然他們還處于襁褓之中， 脫氧核糖核酸計算機 將能夠存儲比您的個人計算機多數(shù)十億倍的數(shù)據(jù)。在本文中，您將了解科學家如何使用遺傳物質(zhì)來創(chuàng)建納米計算機，這些計算機可能在未來十年內(nèi)取代硅基計算機。

　　DNA計算技術

　　DNA計算機在您當?shù)氐碾娮赢a(chǎn)品商店還找不到。這項技術仍在開發(fā)中，十年前甚至還沒有作為一個概念存在。1994年，倫納德·阿德曼(Leonard Adleman)提出了使用DNA解決復雜數(shù)學問題的想法。阿德勒曼，計算機科學家 南加州大學，在閱讀了詹姆斯·沃森(James Watson)撰寫的《基因的分子生物學》(Molecular Biology of the Gene)一書后得出結(jié)論，DNA具有計算潛力，詹姆斯·沃森(James Watson)于1953年共同發(fā)現(xiàn)了DNA的結(jié)構(gòu)。事實上，DNA與計算機非常相似。 硬盤 它如何存儲有關您的基因的永久信息。

　　阿德曼通常被稱為DNA計算機的發(fā)明者。他在1994年出版的雜志上發(fā)表的文章 科學 概述了如何使用DNA來解決一個眾所周知的數(shù)學問題，稱為 定向漢密爾頓路徑問題，又稱“旅行推銷員”問題。問題的目標是找到多個城市之間的最短路線，每個城市只經(jīng)過一次。隨著您向問題中添加更多城市，問題變得更加困難。阿德曼選擇在七個城市之間尋找最短的路線。

　　你可能會把這個問題寫在紙上，并比阿德曼使用他的DNA試管計算機更快地找到解決方案。以下是Adleman DNA計算機實驗中采取的步驟：

　　DNA鏈代表七個城市。在基因中，遺傳編碼由字母A，T，C和G表示。這四個字母的某些序列代表了每個城市和可能的飛行路徑。

　　然后將這些分子混合在試管中，其中一些DNA鏈粘在一起。這些鏈條代表了一個可能的答案。

　　在幾秒鐘內(nèi)，代表答案的所有可能的DNA鏈組合都在試管中創(chuàng)建。

　　阿德曼通過化學反應消除了錯誤的分子，只留下了連接所有七個城市的飛行路徑。

　　AdlemanDNA計算機的成功證明了DNA可以用來計算復雜的數(shù)學問題。然而，這種早期的DNA計算機遠未挑戰(zhàn)硅基計算機。 速度.Adleman的DNA計算機很快就創(chuàng)造了一組可能的答案，但Adleman花了幾天時間才縮小了可能性的范圍。他的DNA計算機的另一個缺點是它需要 人工協(xié)助.DNA計算領域的目標是創(chuàng)建一個可以獨立于人類參與工作的設備。

　　在阿德勒曼的實驗三年后，研究人員在 羅切斯特大學 發(fā)達 邏輯門 由DNA制成。邏輯門是計算機如何執(zhí)行您命令它執(zhí)行的功能的重要組成部分。這些門將通過計算機移動的二進制代碼轉(zhuǎn)換為計算機用于執(zhí)行操作的一系列信號。目前，邏輯門解釋來自 硅晶體管，并將這些信號轉(zhuǎn)換為允許計算機執(zhí)行復雜功能的輸出信號。

　　羅切斯特團隊的DNA邏輯門是創(chuàng)建具有類似于電子設備結(jié)構(gòu)的計算機的第一步。 個人電腦.這些DNA邏輯門不是使用電信號來執(zhí)行邏輯操作，而是依賴于DNA代碼。他們檢測碎片 遺傳物質(zhì) 作為輸入，將這些片段拼接在一起并形成單個輸出。例如，一個 基因門 稱為“和門”通過化學結(jié)合將兩個DNA輸入連接起來，使它們被鎖定在一個端到端的結(jié)構(gòu)中，類似于兩個樂高積木可能被第三個樂高固定的方式。研究人員認為，這些邏輯門可能與DNA微芯片相結(jié)合，在DNA計算方面取得突破。

　　DNA計算機組件 -- 邏輯門 和 生物芯片 - 需要數(shù)年時間才能發(fā)展成實用的，可行的DNA計算機?？茖W家說，如果這樣的計算機建成，它將比傳統(tǒng)計算機更緊湊、更準確、更高效。在下一節(jié)中，我們將研究DNA計算機如何超越其硅基前輩，以及這些計算機將執(zhí)行哪些任務。

　　超越硅?

　　盡管DNA計算機尚未超越硅基微處理器，但研究人員在使用遺傳密碼進行計算方面取得了一些進展。2003年，以色列科學家展示了一臺有限但功能正常的DNA計算機。您可以在以下位置閱讀更多相關信息 國家地理.

　　硅與DNA微處理器

　　40 多年來，硅微處理器一直是計算世界的核心。在那段時間里，制造商將越來越多的電子設備塞進了他們的微處理器上。根據(jù) 摩爾定律，安裝在微處理器上的電子設備數(shù)量每 18 個月翻一番。摩爾定律以英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾的名字命名，他在1965年預測微處理器的復雜性每兩年翻一番。許多人預測摩爾定律很快就會走到盡頭，因為硅微處理器的物理速度和小型化限制。

　　DNA計算機有可能將計算提升到新的水平，從摩爾定律開始。使用DNA代替硅有幾個優(yōu)點：

　　只要有細胞生物，總會有 供應 的脫氧核糖核酸。

　　DNA的大量供應使其成為 便宜 資源。

　　與用于制造傳統(tǒng)微處理器的有毒材料不同，DNA生物芯片可以制造。 干凈.

　　DNA計算機是很多次 較小 比今天的計算機。

　　DNA的主要優(yōu)勢在于，它將使計算機比之前的任何計算機都小，同時保存更多的數(shù)據(jù)。一磅DNA能夠存儲比有史以來所有電子計算機更多的信息;使用DNA邏輯門的淚滴大小的DNA計算機的計算能力將比世界上最強大的超級計算機更強大。超過10萬億個DNA分子可以放入不超過1立方厘米(0.06立方英寸)的區(qū)域。有了這少量的DNA，一臺計算機將能夠容納10 太字節(jié) 數(shù)據(jù)，并一次執(zhí)行 10 萬億次計算。通過添加更多的DNA，可以進行更多的計算。

　　與傳統(tǒng)計算機不同，DNA計算機執(zhí)行計算 平行 到其他計算。傳統(tǒng)計算機是線性運行的，一次承擔一項任務。正是并行計算使DNA能夠在數(shù)小時內(nèi)解決復雜的數(shù)學問題，而電子計算機可能需要數(shù)百年才能完成它們。

　　第一臺DNA計算機不太可能具有文字處理功能， 電子郵件 和紙牌程序。相反，它們強大的計算能力將被各國政府用于破解密碼，或者 航空公司 想要繪制更高效的路線。研究DNA計算機也可能使我們更好地了解更復雜的計算機 - 人腦。

　　常見問題

　　誰發(fā)明了DNA計算?

　　DNA計算是由美國南加州大學計算機科學和分子生物學教授倫納德·阿德勒曼(Leonard Adleman)于1994年發(fā)明的。