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DNA計算機的研究進展

2011年10月,英國,用細菌研制出生物邏輯門

這是有史以來最先進的“生物電路”。 這種生物邏輯門是模塊化的,它們可以被安裝在壹起,從而為未來建立更復雜的生物處理器鋪平了道路。

2011年9月,美國,用生物計算機摧毀癌細胞

這種生物計算機能夠進入人類細胞。通過對5種腫瘤特異性分子進行邏輯組合分析識別出特異癌細胞,從而觸發癌細胞的毀滅過程。這壹成果為開發出特異的抗癌治療奠定基礎。

2011年7月,以色列,用生物計算機探測多種不同類型分子

這種生物計算機能同時自動探測多種不同類型的分子,可用於診斷疾病、控制藥物釋放,實現診斷治療壹體化。

2009年,美國,用大腸桿菌研制成細菌計算機

這種細菌計算機可解決復雜數學問題。且速度遠快於任何以矽基礎的計算機。

2007年,美國,用DNA計算機實現RNA幹擾機制

這種DNA計算機可進行基本邏輯工作,能夠應用於人工培養的腎細胞。科學家將源於其他物種的單siRNA分子導入細胞,該DNA計算機能使編譯某種熒光蛋白 的目標基因關閉。

2006年,美國,用DNA計算機快速準確診斷禽流感病毒

這種DNA計算機能夠更快、更準確地檢測西尼羅河病毒 和禽流感 病毒,以及其他疾病。

2005年,以色列,用DNA計算機運行10億種由DNA軟件分子設計的程序

這種DNA計算機采用了新的溶液處理工藝等技術,能夠運行10億種用DNA軟件分子設計的程序,有潛力覺察到細胞中與多種癌癥有關的異常信使RNA。為癌癥診斷提供信息。

2004年,中國,第壹臺DNA計算機在上海交大問世

這種DNA計算機是在以色列魏茨曼研究所的DNA計算機的基礎上進行改進後完成,其中包括用雙色熒光標記對輸入與輸出分子進行同時檢測,用測序儀對自動運行過程進行實時監測,用磁珠表面反應法固化反應提高可控性操作技術等,可在壹定程度上完成模擬電子計算機處理0,1信號的功能。

2003年,美國,世界首臺可玩遊戲的互動式DNA計算機問世

這種DNA計算機主要以生化酶為計算基礎來運算簡單遊戲。

2002年2月,DNA計算機的研究則更進壹步,日本奧林巴斯(Olympus) 公司宣布,該公司與東京大學聯合開發出了全球第壹臺能夠真正投入商業應用的DNA計算機。他們開發的這種DNA計算機有分子計算組件和電子計算機部件兩部分組成。前者用來計算分子的DNA組合,以實現生化反應,搜索並篩選出正確的DNA結果,後者則可以對這些結果進行分析。據息,今年將正式投入商業化應用。

2001年11月,以色列科學家成功研制成世界第壹臺DNA計算機,它的輸出、輸入和軟硬件全由在活性有機體中儲存和處理編碼信息的DNA分子組成。該計算機不過壹滴水大小,比較原始,也沒有任何相關應用產生,但這是未來DNA計算機的雛形。次年,研究人員又作了改進,吉尼斯世界記錄稱之為“最小的生物計算設備”。

2000年,以色列,世界上第壹臺DNA計算機問世

這是世界上第壹臺成型的DNA計算機,可以解決壹些相對復雜的運算問題。在當時它沒有什麽實際用途,但它代表著DNA計算機已經邁出科幻時代,並成為現實中壹種初露端倪的技術。

2000年,美國威斯康星麥迪遜大學的科學家在簡化和按比例放大這種技術方面邁出了重要壹步,他們采取了不同於阿德勒曼和其他先驅者所進行的試管實驗的辦法,把DNA固定到了壹塊鍍金的玻璃載片(壹種DNA芯片)上。其他研究人員則希望把DNA計算技術送回活的細胞中。在英國,壹些科學家開展了在轉基因細胞內部模擬計算機邏輯電路的研究。

1994年,美國,DNA計算機概念首次提出

科學家用壹支裝有特殊DNA的試管,解決了著名的“推銷員問題”:有n個城市,壹個推銷員要從其中某壹個城市出發,唯壹走遍所有城市,再回到他出發的城市,求最短的路線。這個問題在當時即使用最快的半導體來推算,也需要至少兩年以上的時間,但是科學家用DNA計算只花了7天時間,令人嘆為觀止,從而開辟了DNA計算機研究的新紀元。

1994年11月,美國計算機科學家L.阿德勒曼(Leonard M. Adleman)用壹種非同尋常的方式—DNA方式,解決了壹個非常著名問題—哈密爾敦直接路役問題,俗稱“售貨員旅遊問題”。其基本內容是:假定有壹個售貨員必須向他經過的每壹座城市推銷產品,但是為了節約時間,每座城市他只能途徑壹次,路徑不能重復,而且路徑最短,而這個問題就是讓妳為這個推銷員設計這樣壹條路徑。

隨著城市數目的增加,問題會變的越來越困難。隨著難度的增加,要搜索到正確的路徑就需要更加強大的計算能力,最終會復雜到需要運用目前最先進的超級計算機。當城市數目達到上百個時,即使最快的超級計算機也“望洋興嘆”,計算量可想而知。但是,利用DNA計算,問題迎刃而解。

阿德勒曼教授就是根據DNA分子信息表達的啟發,他巧妙地利用DNA單鏈代表每座城市及城市之間的道路,並為順序編碼;這樣,每條道路“粘性的兩端”就會根據DNA組合的生物化學規則與兩座正確的城市相連。然後,他在試管中把這些DNA鏈的副本混合起來,它們以各種可能組合連接在壹起,經過壹定時間的壹系列的生化反應,便能找出解決問題的唯壹答案,即只經過每座城市壹次的順序最短的DNA分子鏈。

科學家認為,由於矽工業領域材料尺寸限制,傳統的電子技術在2020年後的某個時候將達到物理極限,因此,尋求新的替代技術具有非同尋常的意義。盡管阿德勒曼的實驗僅僅解決了7座城市的問題,然而這個問題的解決,突破了晶體矽材料的尺寸限制,使傳統的計算方法以前很難解決或根本無法解決的問題將變得輕而易舉,開創了在分子水平進行計算的先例,成為分子計算領域的裏程碑。

阿德勒曼的成功,引起世界各國科學家極大關註,1995年,來自各國的200多位有關專家壹起進壹步探討了DNA計算機的可行性,認為DNA分子間在酶的作用下,某基因代碼通過生物化學的反應可以轉變成為另壹種基因代碼,轉變前的基因代碼可以作為輸入數據,反應後的基因代碼作為運算結果。利用這個過程完全可以制造新型的生物計算機。DNA計算技術被認為是代替傳統電子技術的各種新技術中主要候選技術。

DNA計算機已經成為當前世界許多國家科研人員研究的熱點之壹,而且取得了突破性進展,但主要還處在理論研究和應用探索階段。

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