基于DNA分子的逻辑门与计算机.doc

基于 DNA 分子的逻辑门与计算机 洋1 宋世平2 樊春海2 俞 (1 . 上海科技管理干部学院电子信息系 ,上海 201800 ; 2 . 中国科学院上海应用物理研究所 ,上海 201800) 摘 要 :本文对基于 DNA 分子的逻辑门与计算机研究进行了综述 。DNA 逻辑门与 DNA 计算机是目前非常活跃 的研究领域 ,有可能解决电子计算机发展的瓶颈问题 。本文从 DNA 逻辑门的分子基础 、DNA 逻辑门和 DNA 计算 机等几个方面进行了介绍 ,并且对可能的发展方向作了一些预期 。 关键词 :DNA 逻辑门 计算机 核酶 分子杂交 Logic Gates and Computers Ba sed on D NA Molecules Y U Yang1 SO NG Shiping2 FA N Chun ha i2 (1 . Elect ro n Info r matio n Depart ment , Shanghai Instit ute of Science Technology Management , Shanghai 201800 ;2 . Shanghai Instit ute of Applied Physics ,CA S ,Shanghai 201800) Abstract :In t his paper , t he DNA2based logic gates and co mp uters were reviewed. DNA logic gates and DNA co mp uters are very active research areas at p resent , which may break t hrough t he bot tle2neck of elect ro nic co mp uters in t he f ut ure. The molecular basis of DNA logic gates , DNA logic gates and DNA co mp uters were int roduced in t his paper , and possible f ut ure directio ns were also p redicted. Key words :DNA , logic gates , co mp uter , ribozyme , molecular hybridizatio n 引言 电子计算机在很大程度上改变了人类的生活方 式 ,成为人类进入信息化时代的关键性技术进步之 一 。然而传统的集成电路工艺已经面临了严峻的挑 战 ,集成电路的发展已经越来越接近技术所能容许 的极限 ,即电路线宽在 0 . 1 微米以下将达到仅有单 个分子大小的物理学极限 。而人工智能的实现取决 于计算机电路的密度和复杂性 ,基于此项原因 ,目前 以半导体技术为基础的电子电路将难以产生真正的 认知能力 。而生物计算机的诞生和发展无疑对人工 智能的研究提供了一个可能的选择 。生物计算机是 一种用生物分子元件组装成的具有并行数据处理 、 三维存储器和神经网络等特征的智能化计算机 ,主 要有蛋白质计算机和 DNA 计算机 ,其中 DNA 计算 机目前的研究较多 。分子运算是实现 DNA 计算机 的关键 。在传统的电子计算机设计中 ,微处理器应 用基本逻辑门 (与 、或 、非等) 构建能够执行布尔数学 逻辑的电子电路 。与此类似 ,在分子运算中一个主 要的目标就是设计出可寻址的分子逻辑门 。目前 , 在基于电子学的分子计算机中 ,人们可以应用无机 或有机材料构建纳米级的电子逻辑门 ; 在基于化学 的电子计算机中 ,也有方法应用分子或超分子系统 构建光学逻辑门 。这些逻辑门具有共同的输入输出 信号 (电子和光) ,因而较易实现逻辑门之间的连接 , 从而可以构造分子电路 。而逻辑门之间的连接在基 于 DNA 的 生 物 计 算 机 中 则 是 一 个 相 对 较 难 的 问 题 。下面将对基于 DNA 分子的逻辑门设计 、逻辑 门之间的连接和一些基于 DNA 分子的计算机雏形 作一介绍 。 DNA 逻辑门的物质基础 DNA (脱氧核糖核酸) 是生物遗传的物质基础 。 DNA 由四种碱基 ( A 、T 、G 和 C) 组合而成 , 并通过 碱基的排列组合存储生物遗传信息 。DNA 的一个 重要特性是 DNA 链可以通过碱基互补配对作用形 成杂合的双链双螺旋结构 ,而且配对具有高度的特 异性 ,即 A 只能与 T , G 只能与 C 结合 。这种特异 性作用是 DNA 可用于构建逻辑门的基础之一 。 与 DNA 不同 ,在生物体内 RNA ( 核糖