生物计算机研究现状

山东大学计算机在材料科学中的应用生物计算机研究现状专业：___________________姓名：___________________学号：___________________联系电话：___________________指导教师：___________________山东大学材料与工程学院生物计算机研究现状摘要：生物计算机是21世纪人类所面临并期望解决的强大壁垒，其涉及领域之多，问题之繁杂不是其他科研领域所能比拟。

目前科学家所构想并实践中的研究方向大致是两个：一是研制分子计算机，即制造有机分子原件去代替目前半导体逻辑元件和存储元件；另一方面是深入研究人脑的结构、思维规律，再构想生物计算机的结构。

关键词：生物计算机；有机分子原件；人脑1.引言自从世界上第一台电子数值积分计算机“ENIAC”的问世，到上世纪70年代至今第四代计算机所做出的一个个举世瞩目的腾跃，正当人们开始相信计算机领域的发展没有瓶颈时，仿生计算机这块处女地横在世人眼前。

从上世纪80年代开始，日本、美国以及欧洲共同体都相继开展了新一代计算机的研究，然而时至今日仍未有突破性进展。

生物计算机是生物工程技术产生蛋白质分子，以此作为生物芯片。

如让几万亿个DNA分子在某种酶的作用下进行化学反应就能使生物计算机同时运行几十亿次。

生物计算机芯片本身还具有并行处理的功能，其运算速度要比当今最新一代的计算机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，存储信息的空间仅占百亿亿分之一。

生物芯片一旦出现故障，可以进行自我修复，所以具有自愈能力。

生物计算机具有生物活性，能够和人体的组织有机地结合起来，尤其是能够与大脑和神经系统相连。

这样，生物计算机就可直接接受大脑的综合指挥，成为人脑的辅助装置或扩充部分，并能由人体细胞吸收营养补充能量，因而不需要外界能源。

它将成为能植入人体内，成为帮助人类学习、思考、创造、发明的最理想的伙伴。

2.生物计算机的种类2.1生物分子或超分子芯片立足于传统计算机模式，从寻找高效、体微的电子信息载体及信息传递体入手，目前已对生物体内的小分子、大分子、超分子生物芯片的结构与功能做了大量的研究与开发。

“生物化学电路”即属于此。

2.2 自动机模型以自动理论为基础，致力与寻找新的计算机模式，特别是特殊用途的非数值计算机模式。

目前研究的热点集中在基本生物现象的类比，如神经网络、免疫网络、细胞自动机等。

不同自动机的区别主要是网络内部连接的差异，其基本特征是集体计算，又称集体主义，在非数值计算、模拟、识别方面有极大的潜力。

2.3 仿生算法以生物智能为基础，用仿生的观念致力于寻找新的算法模式，虽然类似于自动机思想，但立足点在算法上，不追求硬件上的变化。

2.4 生物化学反应算法立足于可控的生物化学反应或反应系统，利用小容积内同类分子高拷贝数的优势，追求运算的高度并行化，从而提供运算的效率。

DNA计算机属于此类。

2.5 细胞计算机采用系统遗传学原理、合成生物技术，人工设计与合成基因、基因链、信号传导网络等，对细胞进行系统生物工程改造与重编程序，生物计算机可以做复杂的计算与信息处理，细胞计算机又称为湿计算机目前的计算机是干计算机。

1994年中科院曾邦哲发表系统生物工程的基因组蓝图设计与生物机器装配、生物分子电脑与细胞仿生工程等仿生学与基因工程的整合概念。

中科院曾邦哲（曾杰）1999年提出把遗传信息系统看作基因组智能人工编制基因程序，重新设计细胞内复杂生物分子相互作用网络，使细胞成为人工生命系统，并在线公布了人工设计细胞内分子电路系统的概念图，以之区别于人工生命系统，从而提出计算机仿生学、基因工程的细胞分子机器的设计与装配研究，2002年在德国提出分子模块、细胞器、基因群设计细胞并设计细胞信号通讯的生物计算机模型，从而拓展了多元细胞计算机与层次的概念。

生物计算机研究与开发成为现代合成生物学的重要内容。

3.BR分子计算机生物计算机的一个主要研制方向是模拟活生物体系统寻找二进制数字新的表达方式，表达载体是生物大分子，目前认为可行的主要有两种：蛋白质、核酸。

蛋白质是生命的基本存在形式，由氨基酸小分子组成。

许多氨基酸分子按一定顺序排列成一级结构，再经修饰加工盘旋折叠，形成蛋白质大分子。

某些氨基酸分子基因的缺失或添加，会造成蛋白质功能上的对立，如丝氨酸或酪氨酸的磷酸化和去磷酸化是蛋白质活性的开关，磷酸基因的有无关系到分子火星是否存在，是否会引发随后的一连串反应，机体许多重要的生命活动都与之相关。

因而，蛋白质分子中氨基酸磷酸化、去磷酸化状态用于新一代计算机研制即被考虑代表二进制中的0或1.蛋白质的空间结构也可作为设计二进制数字新的表达形式的出发点，美国科学家曾发现一种嗜盐细菌体内存在感光蛋白，成为BR，光照时，结构发生改变并释放少量电荷，因此可作为触发开关，记录数字化信息。

20世纪80年代，已研制出一种极光驱动BR的二维计算机存储器。

以蛋白质为研究方向的生物计算机除利用蛋白质化学组成、空间结构上的特点外，功能也是考虑内容之一。

如传统意义上，酶的本质即蛋白质，蛋白酶具有专一性，这种采用蛋白酶作载体的计算机在运行过程中，蛋白酶分子与周围的物理、化学介质不断相互作用，酶即为转换开关，未来的生物计算机能够辨认光学图像、识别固体表面形状等。

4.DNA分子计算机DNA计算机是真正意义的分子计算机，也是目前最具研究价值的生物计算机种类之一，在理论和使用上都具有很大的发展前途。

4.1 基因芯片上世纪末，艾菲迈却克斯公司效仿英特尔公司微型计算机芯片的生产模式研制并开发了具有划时代意义的DNA芯片，又称基因芯片、DNA阵列或寡核苷酸微芯片等。

DNA芯片的机制是根据核酸杂交原理检测待测的DNA序列。

它与一般核酸杂交技术不同之处是已知序列的寡核苷酸高度集成化，即高密度的DNA探针阵列以预先设计的排列方式固化在玻璃或硅片或尼龙膜上。

4.2 DNA分子计算机的优势用生物大分子作原件制造的计算机成为生物计算机，或称为分子计算机。

BR 分子作为计算机元件是当前研究得最多、最深入的。

而DNA作为元件的DNA计算机，则是一种全新概念的计算机，因科学家们提出的研制原理与现在应用的电子计算机原理有很大差别，与BR等有机大分子制造计算机原理也不同。

DNA的原理是：DNA分子中的大量密码相当于存储的数据，某些酶对DNA分子作用，瞬间就能完成其生化反应，从一种基因代码变成另一种基因代码。

反应前的基因代码可以作为输入的数据，反应后的基因代码则作为运算结果，如果这种反应控制得当，就能制成DNA计算机。

在DNA良好的数据存储能力和并行处理能力基础上，DNA计算机可实现快速的计算，1立方米的DNA溶液，可存储1万亿亿的二进制数据。

十几个小时的DNA计算，相当于所有电脑问世以来的总运算量。

计算中，以DNA序列作为信息载体，利用酶控制许多DNA序列按照计算目的同时进行反映，最后从反映的后果中提取最优的解。

4.3 DNA计算的主要问题4.3.1 构造的现实性及计算潜力问题DNA计算机以编码后的DNA序列作为输入，在试管内反应完成计算，反应产物及溶液给出了全部解空间，但是最优解与其他解分离，怎样输出，是一个技术性极强的问题。

世界上首个DNA计算机诞生于1994年，发明人是莱昂纳多·阿德莱曼。

阿德莱曼用“试管”DNA计算机做实验，测试出了DNA计算机的可行性，他的“试管计算机”在几秒内得出了结果，但他花去了数周实践去拣出那些正确的答案。

随着求解问题规模的扩大，输出将成为DNA计算机的瓶颈。

4.3.2 运算过程中的错误问题在扩增DNA的过程中，有较高的错配率，而且大量的DNA在几百步的反应中也会产生一些支路反应。

错误会产生伪解，并增加最优解输出的难度。

4.3.3 人机接口问题怎样使DNA计算机的输入和输出变成一般人可以接受的，是DNA计算机走向实际应用的关键之一。

5.生物计算机的应用许多科学家认为生物计算机不太可能超越或者匹配现今的电子计算机。

美国普林斯顿大学电子工程师兼分子生物学家罗恩·韦斯说，“它们并不能像我们日常的计算机快速运行微软Windows系统，或者运行Wii游戏。

”与众不同的是，生物计算机能够潜在地修补或直接影响细胞进程。

但是据美国物理学家组织网报道，美国加州斯克里普斯研究院和以色列理工学院科学家开发出一种生物计算机。

电子计算机由硬件、软件、输入和输出4个部分构成，输入、输出的是电子信号，硬件是各种金属、塑料、导线、晶体管的复杂组合，软件是一系列电子信号形式的机器指令。

而生物计算机这4个部分全是分子，所有生物系统甚至整个有机生物界、每个人都是一台生物分子计算机，其硬件和软件是复杂的生物分子，分子之间能有逻辑地进行“交谈”。

它们互相激活，执行某个预定的化学反应。

输入是一种经过特殊预定变化的分子，遵循一套特殊的法则(软件)，这种化学计算过程的输出，是另一种明确规定好了的分子。

凭借此种方法，人类遗传的DNA可能不久将被破译。

而由此也能看出生物计算机的功能将不仅仅局限于文字处理，而更可能活跃于诸如密码破译及飞行航道规划计算等一些计算量超大且操作繁复的问题处理中。

6.展望DNA分子计算机将是生物计算机的重要发展方向之一，现在已经设计除了DNA逻辑门，DNA片段以及更多超前的东西，现在DNA计算机最大的问题是很难检测其计算的结果，一旦这个问题得到解决，DNA计算机将会很快问世。

可以想象，未来一旦DNA计算技术全面成熟，DNA计算机还可以通过人体接口直接接受人脑的指挥，那么届时真正的“人机合一”将会实现。

可见，未来的DNA计算机将给人类生活带来一个质的飞跃。

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