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浅谈生物计算机微电子与固体电子学院 2016030102027 应卓希0引言在摩尔定律的指导下，电子计算机一直向前发展着，为人类社会的生产生活做出了不可磨灭的贡献。然而，当前，计算机的发展却陷入了困境之中：一是工艺制作已臻于极限，在当前工艺下由于集成度和散热问题的限制，计算机运算速度难以较大提高；二是沿用图灵模型而制作的电子计算机在某些方面表现不足，例如语言翻译、视觉辨析。而生物计算机，作为仿生计算机，可以极大的发挥并行处理的优势，大幅度的提升计算机的运算能力。自上世纪八十年代以来，许多国家在研制第五代计算机的时候便已经发现了传统电子计算机的不足。因此，世界上发达国家如美国、日本、俄罗斯等都争先恐后地进行研制开发第六代计算机——生物计算机。1发展历史1948年，现代电子计算机技术的奠基者之一，冯?诺依曼提出了关于“自动复制机器”的设想。他认识到一个能够自我繁殖的系统应当具备两个基本的功能——复制和传递；1953年，詹姆斯?沃森和弗朗西斯?克里克发现了DNA的双螺旋结构，科学家们意识到生物的遗传物质具备冯?诺依曼所提出的两个要求。1959 年，诺贝尔奖获得者费曼提出利用分子尺度研制计算机。20世纪70年代以来，科学家们发现DNA处在不同状态下，可产生信息有无的变化。生物元件可以实现逻辑电路中的0与1、晶体管的通导或截止、电压的高或低、脉冲信号的有或无，并提出利用生物芯片构造新一代的集成电路。上世纪九十年代，计算机科学家伦纳德?阿德曼意识到，互补的碱基和聚合酶的这种工作模式可以用来计算，能够用来构建计算机。1994年，阿德曼提出了用DNA计算的方式解决汉密尔顿路径问题，虽然阿德曼的DNA计算方法在寻找正确答案时遇到了阻碍，搜寻效率低下，但是它却证明了DNA计算的可行性，显示了利用DNA解决一类难于或不可能利用传统计算方法解决的问题的可行性，展示了DNA作为一种数据结构的独特作用。阿德曼的成功，掀起了DNA计算的热潮。1997年，美国的安尼麦史?雷和荻原光德用DNA分子实现了计算机的基本器件——逻辑门，为生物计算机的研究迈开了新的一步。21世纪，科学家们开始构建计算机模型，试图创造出自动化，实用化，规模化的大型DNA计算机模型。2基本原理DNA很像计算机的硬盘，通过四种碱基不同顺序的编码，存储了生物所有的遗传信息。这也就意味着，我们可以使用四种碱基的组合来编码信息，并对其进行运算操作。DNA由G（鸟嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）四种碱基构成，共同构成了相互缠绕的双链阶梯状的双螺旋结构。如果一条单链上某个位置的碱基是腺嘌呤A的话，另一条单链的对应位置上则必然是胸腺嘧啶T；鸟嘌呤G和胞嘧啶C也存在同样的对应关系。核苷酸A、T、C和G可以粘合在一起，形成核苷酸对。因此每个DNA序列都具有一个天然的补序列。例如，如果序列S为ATTACGTCG，那么其补序列S为TAATGCAGC。S和S将混合在一起（或杂交）形成双链DNA。生物计算机的运行过程为接受输入的生物分子信息并在处理之后输出与生物分子有关的数据。通俗的说，就是以数种酶为计算机的“硬件”，其中用以ATP为动力的蛋白质作为“电子”，DNA作为“软件”，输入与输出的“数据”都是DNA链。将溶有这些成分的溶液恰当的进行混合，就可以使其自动的发生反应，进行“运算”。作为“硬件”的酶和做为“软件”的DNA能与输入的“数据”DNA发生反应，对后者进行切割和连接，最终生成新的DNA输出“数据”。同时通过某些生物技术处理反应后的溶液，便可读出这些数据。通过设计不同的DNA分子，就能对计算机进行编程，求解不同问题。3基本步骤1.模型选择：针对问题，选择或建立DNA计算模型；2.编程：在已有模型的基础上，进行编程；3.编码：在DNA 链的条数确定后，依据具体问题，建立相应约束条件，进而进行编码；4.合成DNA分子：对通过编码确定的DNA链，进行合成，并购置所需的生物酶以及相关试等；5.建立计算平台：建立适应于生化反应、特异性杂交、无污染的良好生化操作环境；6.实施计算：将所需DNA链、探针以及相关试剂等按照生化处理程序进行；7.解的检测：通过PCR、测序、电镜，甚至光电等综合技术检测出所需要的解。本文以阿德曼教授提出的DNA计算求解汉密尔顿路径问题作为例子简要说明DNA计算模型求解的基本步骤问题：假设你住在洛杉矶，需要访问4个城市：芝加哥、达拉斯、迈阿密和纽约，其中纽约是最后的目的地。你所选择的航空公司的转接班机限制了你能选择的路由(例如，有从洛杉矶到芝加哥的航班，但没有迈阿密到芝加哥的飞机)。如果你希望只访问每个城市一次，该怎么走呢？第一步：生成所有可能的路由用短DNA序列为城市名编码。通过连接存在路由的不同城市序列，对路线编码。DNA可以当做数据串对处理。例如，每个城市可以用六个核