计算机与我们的生活太密切了，存储的信息越来越多，运算要求越来越高。目前我们使用的电子计算机，将来还能承担起这项重任吗？英国科学家在生物计算机上的一项研究，为什么会引起广泛关注？未来计算机的发展方向是什么？
DNA分子生化反应已能承载计算机指令
辽宁日报：近日一则消息引起我们的注意：英国研究人员最近用细菌和基因手段开发出一种可模块化的新型“生物逻辑门”，为研制生物计算机提出了一种新思路。我们查了一下过往的新闻报道，发现生物计算机确实是发达国家重点研究的计算机领域，每取得了一点成果，倍加让媒体等关注。在我国，公众对生物计算机还比较陌生。普通计算机的核心部件是半导体元件，CPU上是具有开、关功能的晶体管，那么生物计算机是用什么做核心部件的，是生物分子吗？
许进：生物计算机的核心部件是生物大分子，具体的说是细胞质中的DNA、RNA、蛋白质以及其他化学物质，“计算”的过程依靠这些生物分子的生化反应来完成。
辽宁日报：这些DNA等分子有什么特性能承担起“计算”这一重任？
许进：现在公众对DNA都已不陌生通过成千上万的碱基的排列组合就构成了DNA分子上多种多样的
遗传信息，碱基严格地遵循Watson-Crick互补配对原则，即A与T、G与C互补配对，这是DNA计算机设计中的基本原理。
辽宁日报：为什么能进行信息处理，是怎样进行“计算”的？
许进：既然生物的DNA碱基的排列组合能承载遗传信息，那么能不能把这个DNA分子从生物体内拿出来（或用单细胞），让其依然进行生化反应，但承载的是计算机的指令信息呢？这就是生物计算机最初的设想，并且一旦利用分子进行计算，其最大的优势可能就是实现海量并行操作。随着生物技术和手段的日益发展，这样的设想在一步步得以实现：在相关的生物酶作用下，通过DNA分子可控的杂交反应过程，使含有输入信息的DNA分子按照科学家所设计的计算规则完成相应的生化反应，从一种基因代码变为另一种基因代码，最后形成的DNA分子是含有输出信息的所求解，实现信息的处理。生物计算机内生物计算的基本过程大致就是这样的。
辽宁日报：化学、生物学以及信息科学等多学科的发展为生物计算机研制提供了哪些可能？
许进：比如现代有机化学和分子生物学的发展，允许我们对任意DNA序列进行编码设计、合成、修饰和复制等操作，这是最基本的一点。甚至可以利用一条或多条DNA分子形成多维的自组装复杂结构及与其他生物材料一起构建多组分纳米结构。生物芯片让分子反应微小化；同时光技术、微电子技术等的发展，为DNA计算机的检查系统的自动化、运行速度以及生物信号转换成电信号提供了良好的手段，极大地缩短了DNA计算机走向市场的时间。
辽宁日报：我们常听到生物计算中“混合、退火、溶解、放大、分离、抽取、连接、标记、检测和阅读”等名词，这些是什么意思？
许进：这些是指生化反应中对生物大分子如DNA的各种操作，就相当于电子计算机处理信息时的计算过程，不同的是电子计算机依靠硅芯片和集成电路，而生物计算依靠预先设定好的含有特定信息的生物分子的生化反应，想要得到计算结果就需要进行包括你刚才提到的那些操作。这里特别要说明的是：电子计算机实际上就是一种基本运算，即加法运算，而DNA计算机的基本运算则显得相当丰富，基本上有8种基本运算。
“摩尔定律”有极限但生物计算机不受限
辽宁日报：报道说英国科学家用细菌做组件，也是用其DNA分子吧？ 他们研究的一种 “生物逻辑门”，可以模块化地进行逻辑门之间的叠加，有什么意义或突破？
许进：逻辑门是冯·诺依曼型计算机的基础，它是一种对输入信息进行逻辑运算，然后输出信息的装置，通过对不同逻辑门进行各种组合就可搭建出复杂的计算机电路。英国的科学家在DNA分子计算中研制出了“AND（与）门”及“NOT（非）门”，并将两者结合在一起制造出了更复杂的“与非门”。这种生物逻辑门的所作所为与电子逻辑门几乎一样，只不过由于是DNA计算，它意味着不同类型的逻辑门有可能被放在一起，从而开发出更复杂的生物处理器。
而从“逻辑门”角度来看，这个工作目前在国内外已经不少，并不是什么大的突破性工作。
辽宁日报：英国科学家的这项研究并不十分先进？
许进：真正意义上的生物计算机，并不是按照研制“逻辑门”这种思想来研究，若按这种思想，其基本原理还在“如来佛的手心”，即在冯·诺依曼计算机原理框架之内，信息处理还是串行模式，那还不如电子计算机！生物计算机应充分利用其自身的并行型特点进行信息处理。当然，从应用角度看，研究这种逻辑门模型，可以利用它的微小化做一些有用的事情，如在人体内消除癌细胞等。
辽宁日报：并行运算的概念如何理解？
许进：衡量计算机水平的主要指标是运算速度和存储量。目前无论是电子计算机，还是光子计算机、超级计算机，都是通过串行运算的，运算量远远低于并行运算。而DNA计算机的每一个DNA片段就是一个微型计算工具，可以存储多个数据，因此拥有并行处理数据的能力，能同时进行亿万亿次的计算。如果生物计算机研制成功,它几十小时的运算量可能就相当于目前全球所有计算机运算量的总和。到那时，科学研究中诸如人脑信息存储、宇宙演化、药物研制等所需要的海量计算都不在话下。再想一想现在我们的生活、生产、科学研究有着多大的信息处理量及计算机在各个领域发挥的作用，就能知道生物计算机的巨大作用和意义了。
辽宁日报：DNA计算机还有哪些优点让各国如此重视？
许进：分子本身就很小，而承载信息的DNA片段只有几纳米，所以，即使在一个液滴的体积中，DNA分子的数目都可以过千个，那么由此制成的芯片，一平方毫米的面积上就可容纳几亿个电路，比目前的集成电路小得多。对比看看现在的电子计算机，根据摩尔定律，计算机速度每隔18个月就提高一倍，这就要求CPU芯片晶体管数越来越多、尺寸必须越来越小，终会达到极限，生物计算机完全解决了这个问题。同时，由于“分子”是有机的，耗能极低，几乎可以忽略，而目前超级计算机每小时的耗能十分巨大。另外，一旦生物反应的芯片出现故障时，还有自我恢复功能，可靠性很强。更让人感兴趣的是生物计算机不仅可以实现体外计算，还可以直接在细胞内进行计算，实现“人机合一”的一种纳米级装置。通过它，未来人们有可能进行基因调控和蛋白表达，对疾病诊疗等方面有着巨大的意义。
顺利走出实验室有两大难点需攻克
辽宁日报：目前国际上生物计算机的研制情况怎么样？有成型的生物计算机吗？
许进：生物计算机的研制时间不长，但进展很快。 1994年,美国加州大学的L.Adleman博士提出了DNA计算机理论，并成功地在DNA溶液的试管中进行了运算实验；2003年美国威斯康星大学的研究人员制造出一台生物计算机，由大约100万亿个人工合成的DNA链状结构组成,能进行一些相对复杂的运算。这部计算机虽然原始,但它使人们看到了希望；2007年我们研究组研制出一种可以求解图信息处理的所谓并行型DNA计算机模型，并求出61个顶点的一个图所有可能的48个解，理论上，其计算能力达到了3的59次方！这是当今生物计算机实验规模最大且搜索能力最强的一种模型，因而受到同行的高度重视，甚至是美国基金委的重视。
事实上，目前在实验室可以制造简单的、进行单一运算的DNA计算机，也就是说有用各种技术办法研制的DNA计算机模型，但离实用的DNA计算机市场化可能还有一段距离。尽管如此，即使在实验室，DNA计算机的实用性可能距离我们已经很近了。
辽宁日报：主要的难点在哪？
许进：目前DNA计算机市场化的主要难点主要有两个：一是生物操作技术的实现上还不够成熟。如从海量的DNA分子池中，将我们所需要的DNA分子一个不剩的提炼出来等还很困难；二是在检测系统的研制上，即如何快速准确地从生化反应池里将我们所需要的解提炼处理。虽然目前已有诸如各种电泳技术、PCR扩增、荧光标记、生物酶方法、生物素标记、层析技术等方法，甚至电镜等技术，但还很不完善，这成为DNA计算机需要攻克的难关之一。
辽宁日报：我国研发情况怎么样？
许进：我国也十分重视生物计算机的研制，许多科研单位取得了一些优异的成果，引起了国际上的关注。随着这个领域国际竞争的激烈，我国应抓紧这个机遇，注重人才培养，进一步扩大生物计算机的研究规模。
本报记者／刘洪宇
专家档案
许进 北京大学教授、博士生导师，理学、工学双博士；兼任中国电路与系统学会副主任，中国电子学会图论与系统优化专业委员会理事长等职。发表
学术论文300余篇，目前重点研究生物计算机。
作者：
2011-12-5