DNA计算技术的发展与应用

殷婧

摘要：近年来，随着计算机技术的快速发展，DNA计算技术的优势逐渐显现出来。DNA计算技术相比于传统的计算技术，具有无限大的储存空间和强大的运行处理能力，可以处理多种算术及算法问题，并且计算的结果迅速、准确，现在已广泛应用于计算、生物、信息等多重领域。该文主要分析了DNA计算机技术的发展历程以及在DNA分子基础上建立的DNA模型，希望对DNA计算技术的发展有一定的借鉴性意义。

关键词：DNA；计算机技术；发展与应用

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）25-0230-02

近年来，DNA计算技术获得了飞速发展，逐渐在计算、生物、信息等领域得到了广泛应用。由于DNA分子具有特异性杂交、超强并行操作、微小性等，使得DNA分子成为下一代计算机技术研究的重点。另外，DNA分子还具有无限大容量的储存空间和强大的运算处理能力。众所周知，DNA分子是重要的遗传物质，除此之外，DNA分子也能在微电子及纳米材料方面发挥其独特的作用。

1 DNA计算机技术的发展历程

随着现代计算机技术的快速发展，传统的计算机技术由于其有限的储存能力和运算能力将会被逐步淘汰。为了满足实际工作的需要，越来越多的行业对计算机的储存能力及运算能力提出了更高的要求，DNA计算机技术适应时代的发展应运而生。

国际上有很多发达国家在二十世纪已经开始重视对DNA计算机技术的研究。在1996年，日本政府开始把DNA计算机技术作为重大研究项目来实施，在该研究领域投入了大量的资 金。1997年后，美国逐步认识到发展DNA计算机技术的重要性，开始投入资金研究DNA计算机技术，并在2002年开始将DNA计算机技术的研究成果应用于“全球鹰”无人机上。欧盟国家也在1998年开始重点关注DNA计算机技术的研究。发达国家对DNA计算机技术的重视使得该技术逐渐成为全球计算机领域重点研究的对象。据统计，在2012年，我国进口高端芯片的花费已经超过了进口石油的花费，如果能够通过DNA计算机技术实现对芯片的拼接与重组，在计算机技术领域将是非常重大的突破。

DNA计算机技术的发展不仅在计算机领域是非常重大的突破，对于其他领域的发展也具有异常重要的作用，如在管理学中的战略分配、逻辑研究、密码破译、生物医学以及信息网络等领域。可以想象，随着DNA计算机技术在各大领域的广泛应用，其对人类的发展将具有划时代的意义。

任何技术的发展成熟都不是一蹴而就的，都需要经历反复的实验与探究，才能够投入到实践中应用，DNA计算机技术也是如此。在1994年，Adleman开始创立DNA计算模型，这在当时看来已经是非常重大的突破；在1998年，开始有专家创立出表面DNA计算模型；在2001年，来自以色列的计算机专家第一次成功研制出DNA计算机，为后来DNA计算机技术的发展奠定了基础；在2002年，日本首次将DNA计算机投入商业使用；在2009年，DNA技术开始与纳米技术结合，DNA计算机技术开始在其他领域被广泛应用。

2 DNA计算模型

2.1 建立在链置换基础上的DNA计算模型

建立在链置换基础上的DNA计算模型主要是利用分子系统趋向于最低能级，再应用该技术内的特异性加以辨别从而实现释放和捕捉等操控功能。该技术具有迅速、灵敏、准确的优点，在DNA计算机技术研究领域里也是重点关注对象。在2009年，据报道有人研究出建立在链置换基础之上的通用翻译器，能够快速将输入序列转换成输出序列，在医学上具有重要应用，能够快速检测出患者的某些疾病如慢性肝炎、天花等。在2011年，建立在DNA计算机技术对数字逻辑计算的基础上，有研究组研究出了数字逻辑电路，该数字逻辑电路能够快速解决异常复杂的数学问题。在2013年，又有该领域的相关研究人员在链置换的基础上建立了反方向的DNA计算逻辑门，扩展了DNA计算机技术的模型。

2.2 建立在DNA酶基础上的DNA计算模型

DNA酶具有水解DNA分子的特异功效，除此之外，DNA还能够快速反应金属离子。利用DNA酶的这些特征，可以在此基础上建立DNA计算模型。建立在DNA酶基础上的DNA模型具有高效、反应迅速的特征。这几年，越来越多的计算机领域的研究者开始充分利用DNA分子的生物特性，这使DNA计算机技术呈现出多元化的特点。在2003年，Stefanovic等利用DNA酶其中的一种酶——E6酶设计出了一款游戏，即MAYA，并且在此基础上解决了在三行三列的棋盘上如何实现让三个棋子保持在一条线的问题；在2006年，仍然建立在E6酶的基础上，Stefanovic等设计出了MAYA的扩展游戏，命名为MAYA II，该游戏能够在三行三列的方格里解决如何采取有效的方法连出一条直线来。之后，Kolpashchikov等在脱氧核酶的基础上设计出相应的DNA计算模型，该模型建立的主要作用为调节适配体的功能状态。在2010年，Elbaz在脱氧核酶亚基的基础上建立了数字逻辑电路。另外，同样在2010年，Sai Bi在超分子脱氧核酶的基础上又建立了具有不同功效的数学逻辑电路，该模型实现了DNA分子与纳米粒子的结合。

2.3 建立在瓦片基础上的DNA计算模型

DNA可以被称为是高级的纳米材料，可以通过多种不同组成的DNA分子配对成纳米结构，其中DNA瓦片就是纳米结构中的一种。DNA瓦片主要是应用DNA纳米结构的主要优势及DNA基本结构自行组成的复杂结构来实现DNA计算的功能。建立在DNA瓦片基础之上的DNA计算模型的基本单位是DNA分子，再由DNA分子构成基本的瓦片结构，之后一步步连接形成复杂的DNA计算模型。在2000年，Mao等通过DNA分子的三次联合形成了基础的DNA瓦片结构，这种基础的DNA瓦片结构如果能够被扩展成更复杂的DNA瓦片结构，那么就有可能通过该DNA结构制造出复杂的纳米材料。在2005年，Robert D. Barish在DNA瓦片结构的基础上设计出了可以进行抽象的二进制计算及具有复制功能的DNA晶体。该研究的提出为其他逻辑计算提供了可能。在2007年，Brun在DNA瓦片基本结构的基础上又设计出较复杂的DNA瓦片结构，这种复杂的DNA瓦片结构能够有效解决自然数子集的相关问题。在2008年，Jaswinder Sharma建立在DNA瓦片结构的基础上对量子点进行了自动组装，显现了纳米光子结构新的特征。在2010年，Endo等建立在DNA瓦片结构上又设计出了具有多种功效的DNA纳米芯片，将建立在瓦片基础上的DNA计算模型用在了实际检测中。

2.4 建立在纳米颗粒基础上的DNA计算模型

纳米颗粒是纳米材料众多种类中的一种，目前，越来越多的纳米颗粒开始被应用于DNA计算中。纳米颗粒彼此靠近能够产生强大的物理反应，建立在纳米颗粒的DNA计算模型可以实现多种类型的DNA计算。基于纳米颗粒的优势，已经有很多研究者先后在纳米颗粒的基础上建立了DNA计算模型。在2011年，Lin等发现了一种有机光开关分子，一般在业内被称为SP，当SP处于无光或者日照光照射的环境中时，其表现的状态是没有颜色的，并且是闭合的；而当SP处于紫外线照射的环境下时，其表现的颜色是红色的，并且是处于开放的状态，易与外面的分子结合。

3 结束语

综上所述，与传统的计算机技术相比，DNA计算技术具有无限大容量的储存能力和快速高效的运算处理能力。自从20世纪90年代以来，DNA计算技术获得了飞速发展。DNA计算技术的应用主要体现在建立在DNA分子基础上的DNA计算模型上，主要包括建立在链置换基础上的DNA计算模型、建立在DNA酶基础上的DNA计算模型、建立在瓦片基础上的DNA计算模型、建立在纳米颗粒基础上的DNA计算模型等等。在未来，DNA计算机技术仍然是计算机领域内研究的重中之重。就我国来说，应当抓住DNA计算机技术发展的机遇与挑战，积极利用一切条件创新发展DNA计算机技术，争取占领该领域内的研究制高点，另外，也汲取国外在此领域的技术优势并为我所用，努力促进DNA计算机技术的创新与发展。

参考文献：

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