下一代计算机：DNA计算机

科沃尔斯基/ 文

什么是DNA？

DNA 是一种生物大分子，又称脱氧核糖核酸。它是生物遗传密码的重要组成部分，主要功能是储存信息。

组成DNA 的基本单位是四种脱氧核苷酸，四者分别含有A、T、C、G 四种碱基。然后，再由两条多核苷酸链通过A-T 与C-G 碱基对之间的氢键而结合在一起，形成相当稳定的双螺旋结构。这就是有如一条长链般的DNA 分子。

最早分离出DNA 的，是一位名叫弗雷德里希·米歇尔的瑞士医生。1869年，他从废弃绷带残留的脓液中，发现了一些只有通过显微镜才能观察到的物质。由于这些物质位于细胞核中，所以米歇尔称之为“核素”。至于DNA 双螺旋结构，则是在1953年，由沃森和克里克在英国剑桥大学做研究时发现的。

DNA 双螺旋结构示意图

DNA 计算机的原理

DNA 计算机虽然是一种生物形式的计算机，但它的组成原理与传统计算机是相似的。它利用DNA（脱氧核糖核酸）来建立一种完整的信息技术形式，以经过编码的DNA 序列（类似于计算机内存）为运算对象，通过分子生物学的运算操作来解决复杂的数学难题。

具体来说，DNA 计算机由DNA 分子电路组成。它“输入”的是细胞质中的RNA、蛋白质以及其他化学物质，“输出”的则是容易辨别、处理的分子信号。它所拥有的原始数据是DNA 分子碱基对的不同排列次序，在此基础上，通过生化反应来对DNA 碱基对进行基本操作，从而实现计算机的各种功能。

DNA 计算机概念图

DNA 计算机的特点

与传统计算机相比，DNA 计算机有很多优点。

1.体积小

DNA 计算机可集成数亿个生物电路，是现有计算机的上百倍。同时，DNA 计算机可容纳于一根试管之中，跟它相比，传统计算机简直就是“庞然大物”。

2.容量大

一立方米的DNA 溶液，可以存贮一万万亿个二进制数据。所以，仅仅拇指大小的DNA 溶液，存储的信息量便相当于一万亿张CD。这一存储密度是我们常用的移动硬盘的一千亿到一万亿倍。

3.运算快

跟传统计算机相比，DNA 计算机的最大优势在于并行运算能力。所有计算机的运算速度都取决于两个因素：一是并行处理能力；二是单位时间内的运算步骤。DNA 计算机传输数据与通讯的过程相对简单，其并行处理能力可与超级计算机相媲美。如果把计算机的运算能力比作用钥匙开锁的话，那么，传统计算机一次只能用一把钥匙去开锁，而DNA 计算机则可以同时用几百万把钥匙去开锁。这意味着它的运算速度比传统计算机要快几百万倍，可以达到每秒十亿次的水准。

4.耗能低

DNA 计算机的能耗仅为普通计算机的十亿分之一。

5.容错高

所谓DNA 双螺旋结构，是基于各碱基之间的互补配对而形成的。这种互补性是DNA 计算机的独特优势。如果DNA 链条上的某一处碱基出现错误，特定的修改酶能够对其进行修正。如此一来，DNA 计算机便拥有了“自我修复”功能，大幅提高了它的数据容错能力。这是传统计算机无法比拟的。

DNA 计算机概念图

DNA 计算机的未来

此前的DNA 计算机，大多把DNA 链溶解于化学溶液中。这么做的缺点是，DNA分子可以在溶液中随意游走，从而易于发生连接或反应，并进而影响工作效率。加之数以亿计的DNA 分子非常复杂，实际操作过程中一旦稍有差错，便有可能发生难以预计的致命失误。因此，若要真正将DNA 计算机应用于现实生活，尚需时日。

虽然DNA 计算机技术的成熟之路依旧相当漫长，但科学家们还是希望，至少能在不久的未来开发出“能检测”“会思考”“可预测”的智能DNA 计算机设备，并将其应用于在人体内合成所需药物，帮助治疗癌症、心脏病、动脉硬化等疑难病症，从而为人类的健康造福。