用DNA做的「有機電腦」可以處理人體內的資料

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DNA Research

我們總是想像用矽晶片做的電子設備,這個電腦可以儲存及處理二進位數(0跟1的數字)的資訊,由小電荷所代表。但不一定要這樣,除了矽之外還可以選擇有機的介質,比如說DNA。

DNA運算在1994年首次被公開,由Leonard Adleman將旅行行商的數學問題(一個計算出商人在假想城市之間的最佳路徑的數學問題)編碼並解決,完全在DNA裡。

脫氧核糖核酸,也就是DNA,可以儲存大量編碼成分子序列(稱為核甘酸、胞嘧啶(C)、鳥嘌呤(G)、腺嘌呤(A)或胸腺嘧啶(T))的資訊。不同物種之間複雜且龐大的基因碼顯示出用CGAT編碼在DNA中可以儲存的資訊有多龐大,而這個容量可以用在運算上。利用稱為雜交(hybridisation)的DNA配對結合產生的DNA分子可以用來處理資訊。這把單股的DNA當成輸入,經過轉換產生後續一股股的DNA做為輸出。

Adleman的實驗中,許多以DNA為基礎的「電路(circuits)」被提議用來當實現運算的方法,如布林邏輯(Boolean logic)、算術公式(arithmetical formulas)以及神經網路運算(neural network computation)。這個方式提供奈米等級運算方法的習慣性設計與概念適合以DNA運作,稱為分子編程(molecular programming)。

這裡的「編程(programming)」是指生物化學。這個「程式(programs)」基於分子選擇(DNA彼此互動達成特殊排序結果的自我編譯方式,無序的分子集合會自發性地互動來產生所需的DNA鏈排列)的方式產生出來。

DNA機器人

DNA也可以用來控制動作,讓以DNA為基礎製作的奈米機械裝置動作。這件事在2000年由Bernard Yurke與其同事首次完成,他們用DNA鏈製作可以開闔的鑷子。之後的實驗,像是2011年Shelley Wickham與其同事在牛津Andrew Turberfield實驗室示範了可以走遍所有路徑的奈米分子行走機器(完全用DNA製作)。

一個可能的應用是像這種DNA奈米行走機器可以在軌道之間做選擇並在抵達軌道終點時打訊號,表示計算已經完成。就像電子晶片被搭載在電路板上,DNA分子也可以類似將整理為邏輯選擇樹的軌道搭載到DNA磚上,利用酶來控制樹的分支選擇,讓DNA行者可以決定要走哪條。

DNA行者也可以攜帶分子貨物,用來將藥物送到體內。

DNA機器人

為什麼要用DNA運算?

因為DNA分子的許多外在特性(包括只有2奈米寬的尺寸、可編程性以及高度儲存容量)比他們的同行矽棒多了。而且DNA也是多才多藝、便宜且容易合成,用DNA運算需要的能量也比使用矽的電子處理器小很多。

他的缺陷是速度:運算四位數字的平方需要幾個小時,而一台傳統電腦只需要百分之一秒就可運算出來。另一個缺陷是DNA電路是一次性的,要做同樣的運算需要再做一個。

也許相較於電子電路,DNA電路最大的優點是可以與生物化學環境互動。要運算分子涉及到需要分辨某些分子存在不存在,因此用DNA運算是自然的應用,將可編程性應用在環境生物傳感的領域,或是運送藥物進入活體生物內部進行治療。

DNA計畫已經應用在藥物使用,像是診斷結核病。另一個提案用法是由以色列Weizmann科學研究院的Ehud Shapiro所提出對象目標是癌症分子,稱為「細胞裡的醫生(doctor in cell)」的奈米生物「程式(program)」。其他DNA醫學應用計畫目標放在淋巴細胞(白血球的一種),由某些細胞標記的存在與不存在來決定,可以偵測為「是或否(true、false)」的布林邏輯(Boolean logic)。然而,要將智慧藥物直接注射到活體生物之前,還需要更多的努力。

DNA運算的未來

廣義來說,DNA運算的未來有相當大的潛力。他的巨大儲存容量、低耗電量、簡單製造,利用DNA自我編譯的能力以及與自然世界的親和性,也許透過設計結合分子與電子元件,可以讓我們進入奈米等級運算的領域。這個技術從開始研究起,進步的非常快速,可以提供護理點的診斷以及智慧型藥物(可以做出診斷選擇要施行何種治療)的概念證明。

當然,要讓這個技術從概念證明進到真實智慧型藥物之前還有很多挑戰需要被解決,像是DNA行者的可靠性、DNA自我編譯的可靠度以及改善藥物運送。但研究了一個世紀的傳統運算科學可以藉由新的程式語言、抽象與有形的證明技術來對DNA運算做出貢獻,像是徹底改變矽晶片設計的技術,以及可以幫助有機運算走相同的途徑推出。
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來源: Iflscience

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