DNA计算机 章琳琦16307100166 技术原理 DNA计算机是一种生物形式的计算机。它是利用DNA(脱氧核糖核酸)建立的一种完 整的信息技术形式,以编码的DNA序列(通常意义上计算机内存)为运算对象,通过分子 生物学的运算操作以解决复杂的数学难题 从最早的帕斯卡尔齿轮机到今天最先进的电子计算 机,其计算方式都是一种物理性质的符号变换,具体是 由“加”和“减”这种基本动作构成的。然而,目前的 DNA计算则有了本质性的变化。计算不再是一种物理性 质的符号变换,而是一种化学性质的符号变换,即不再 是物理性质的“加”“减”操作而是化学性质的切割和 粘贴、插入和删除。这种计算方式的变革是前所未有的, 具有划时代的意义。 我们知道,DNA分子是一条双螺旋的长链,上面 布满了“珍珠”即核苷酸, 其上拥有四种碱基, 分别为:腺嘌呤(A)、 鸟嘌呤(G)、胞嘧啶 (C)和胸腺嘧啶(T) DNA分子通过这些核 苷酸的不同排列,能 够表达出生物体各种 细胞拥有的大量信息。 数学家、生物学家、 化学家以及计算机专 家从中得到启迪。他 们利用DNA能够编码 信息的特点,先合成 县有特定序列的DNA 分子,使它们代表要 求解的问题,然后通过 生物酶的作用(相当于加减乘除运算),使他们相互反应,形成各种组合,最后过滤掉非正 确的组合而得到的编码分子序列就是正确答案。 二、技术应用 1.2003年,美国,世界首台可玩游戏的互动式DNA计算机问世。这种DNA计算机主要 以生化酶为计算基础来运算简单游戏。 22005年,以色列,用DNA计算机运行10亿种由DNA软件分子设计的程序。这种DNA 计算机采用了新的溶液处理工艺等技术,能够运行10亿种用DNA软件分子设计的程序,有 潜力觉察到细胞中与多种癌症有关的异常信使RNA,为癌症诊断提供信息 32006年,美国,用DNA计算机快速准确诊断禽流感病毒。这种DNA计算机能够更快
DNA 计算机 章琳琦 16307100166 一、 技术原理 DNA 计算机是一种生物形式的计算机。它是利用 DNA（脱氧核糖核酸）建立的一种完 整的信息技术形式，以编码的 DNA 序列（通常意义上计算机内存）为运算对象，通过分子 生物学的运算操作以解决复杂的数学难题。 从最早的帕斯卡尔齿轮机到今天最先进的电子计算 机，其计算方式都是一种物理性质的符号变换，具体是 由“加”和“减”这种基本动作构成的。然而，目前的 DNA 计算则有了本质性的变化。计算不再是一种物理性 质的符号变换，而是一种化学性质的符号变换，即不再 是物理性质的“加”、“减”操作而是化学性质的切割和 粘贴、插入和删除。这种计算方式的变革是前所未有的， 具有划时代的意义。 我们知道，DNA 分子是一条双螺旋的长链，上面 布满了“珍珠”即核苷酸， 其上拥有四种碱基， 分别为：腺嘌呤（A）、 鸟嘌呤（G）、胞嘧啶 （C）和胸腺嘧啶（T）。 DNA 分子通过这些核 苷酸的不同排列，能 够表达出生物体各种 细胞拥有的大量信息。 数学家、生物学家、 化学家以及计算机专 家从中得到启迪。他 们利用 DNA 能够编码 信息的特点，先合成 具有特定序列的 DNA 分子，使它们代表要 求解的问题，然后通过 生物酶的作用（相当于加减乘除运算），使他们相互反应，形成各种组合，最后过滤掉非正 确的组合而得到的编码分子序列就是正确答案。 二、技术应用 1. 2003 年，美国，世界首台可玩游戏的互动式 DNA 计算机问世。这种 DNA 计算机主要 以生化酶为计算基础来运算简单游戏。 2.2005 年，以色列，用 DNA 计算机运行 10 亿种由 DNA 软件分子设计的程序。这种 DNA 计算机采用了新的溶液处理工艺等技术，能够运行 10 亿种用 DNA 软件分子设计的程序，有 潜力觉察到细胞中与多种癌症有关的异常信使 RNA，为癌症诊断提供信息。 3.2006 年，美国，用 DNA 计算机快速准确诊断禽流感病毒。这种 DNA 计算机能够更快
更准确地检测西尼罗河病毒和禽流感病毒,以及其他疾病。 42007年,美国,用DNA计算机实现RNA干扰机制。这种DNA计算机可进行基本逻辑 工作,能够应用于人工培养的肾细胞。科学家将源于其他物种的单sRNA分子导入细胞,该 DNA计算机能使编译某种荧光蛋白的目标基因关闭 未来的DNA计算机在研究逻辑、破译密码、基因编程、疑难病症防治以及航空航天等领 域应用的独特优势,现在电子计算机是望尘莫及,应用前景十分乐观。比如,DNA计算机 的出现,使在人体内、在细胞内运行的计算机硏制成为可能,它能够充当监控裝置,发现潜 在的致病变化,还可以在人体内合成所需的药物,治疗癌症、心脏病、动脉硬化等各种疑难 病症,甚至在恢复盲人视觉方面,也将大显身手 三、技术优缺点 优点:1)体积小。其体积之小,可同时容纳1万亿个此类计算机于一支试管中 2)存贮量大。1立方米的DNA溶液,可以存贮1万亿亿的二进制数据。1立方厘米 空间的DNA可储存的资料量超过1兆片CD容量 3)运算快。其运算速度可以达到每秒10亿次,十几个小时的DNA计算,相当于所 有电脑问世以来的总运算量。 4)耗能低。DNA计算机的能耗非常低,仅相当于普通电脑的10亿分之一。如果放 置在活体细胞内,能耗还会更低 5)并行性。普通电脑采用的都是以顺序执行指令的方式运算,由于DNA独特的数据 结构,数以亿计的DNA计算机可以同时从不同角度处理一个问题,工作一次可以进行10亿 次运算,即并行的方式工作,大大提高了效率 此外,DNA计算机能够使科学观察与化学反应同步,节省大笔的科研经费。 缺点:1)由于受目前生物技术水平的限制,DNA计算过程中,前期DNA分子链的创造和 后期DNA分子链的挑选,要耗费相当的工作量。比如,阿德勒曼的“试管电脑”在几秒 钟内就得出结果,但是他却花掉数周的时间去挑选正确的结果 2)当计算数量增加时,DNA重量显著增加。并且数以亿计的DNA分子非常复杂,在 反应过程中很容易发生变质和损伤,甚至试管壁吸附残留都可能发生致命错误。 参考文献:百度百科DNA计算机 http://baike.baiducom/link?url=iwuzxjoawannnhle8gkv7gydogpbuKoy55g072glOpmL7lQrpr P 70WW3Zlse5CJ-hmkG6XB FaQlwVrzKfo2V 刘颂豪-《中国校园文学:中学读本》DNA计算机-2011 图片均来自网页
更准确地检测西尼罗河病毒 和禽流感 病毒，以及其他疾病。 4.2007 年，美国，用 DNA 计算机实现 RNA 干扰机制。这种 DNA 计算机可进行基本逻辑 工作，能够应用于人工培养的肾细胞。科学家将源于其他物种的单 siRNA 分子导入细胞，该 DNA 计算机能使编译某种荧光蛋白的目标基因关闭。 未来的 DNA 计算机在研究逻辑、破译密码、基因编程、疑难病症防治以及航空航天等领 域应用的独特优势， 现在电子计算机是望尘莫及，应用前景十分乐观。比如，DNA 计算机 的出现，使在人体内、在细胞内运行的计算机研制成为可能，它能够充当监控装置，发现潜 在的致病变化，还可以在人体内合成所需的药物，治疗癌症、心脏病、动脉硬化等各种疑难 病症，甚至在恢复盲人视觉方面，也将大显身手。 三、技术优缺点 优点：1）体积小。其体积之小，可同时容纳 1 万亿个此类计算机于一支试管中。 2）存贮量大。1 立方米的 DNA 溶液，可以存贮 1 万亿亿的二进制数据 。1 立方厘米 空间的 DNA 可储存的资料量超过 1 兆片 CD 容量。 3）运算快。其运算速度可以达到每秒 10 亿次，十几个小时的 DNA 计算，相当于所 有电脑问世以来的总运算量。 4）耗能低。DNA 计算机的能耗非常低，仅相当于普通电脑的 10 亿分之一。如果放 置在活体细胞内，能耗还会更低。 5）并行性。普通电脑采用的都是以顺序执行指令的方式运算，由于 DNA 独特的数据 结构，数以亿计的 DNA 计算机可以同时从不同角度处理一个问题，工作一次可以进行 10 亿 次运算，即并行的方式工作，大大提高了效率。 此外，DNA 计算机能够使科学观察与化学反应同步，节省大笔的科研经费。 缺点：1）由于受目前生物技术水平的限制，DNA 计算过程中，前期 DNA 分子链 的创造和 后期 DNA 分子链的挑选，要耗费相当的工作量。比如，阿德勒曼 的“试管电脑 ”在几秒 钟内就得出结果，但是他却花掉数周的时间去挑选正确的结果。 2）当计算数量增加时，DNA 重量显著增加。并且数以亿计的 DNA 分子非常复杂，在 反应过程中很容易发生变质和损伤，甚至试管壁吸附残留都可能发生致命错误。 参考文献：百度百科 DNA 计算机 http://baike.baidu.com/link?url=iWuZXJoaWannnhLe8qKv7GYDOqPbUkOY55q072gIOpmI7LqRPr P_70WW3Zlse5CJ-hmkG6XBFaQlwVrzKf02V_ 刘颂豪 - 《中国校园文学:中学读本》DNA 计算机– 2011 图片均来自网页