基于DNA分子的邏輯門與計(jì)算機(jī)

1、基于 dna 分子的邏輯門與計(jì)算機(jī)洋1宋世平2樊春海2俞(1 . 上?？萍脊芾砀刹繉W(xué)院電子信息系 ,上海 201800 ; 2 . 中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 ,上海 201800)摘 要 :本文對(duì)基于 dna 分子的邏輯門與計(jì)算機(jī)研究進(jìn)行了綜述 。dna 邏輯門與 dna 計(jì)算機(jī)是目前非常活躍的研究領(lǐng)域 ,有可能解決電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的瓶頸問題 。本文從 dna 邏輯門的分子基礎(chǔ) 、dna 邏輯門和 dna 計(jì)算 機(jī)等幾個(gè)方面進(jìn)行了介紹 ,并且對(duì)可能的發(fā)展方向作了一些預(yù)期 。關(guān)鍵詞 :dna 邏輯門 計(jì)算機(jī) 核酶 分子雜交logic gates and computers ba sed on

2、d na moleculesy u yang1so ng shiping2fa 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

3、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

4、, and possiblef ut ure directio ns were also p redicted.key words :dna , logic gates , co mp uter , ribozyme , molecular hybridizatio n引言電子計(jì)算機(jī)在很大程度上改變了人類的生活方 式 ,成為人類進(jìn)入信息化時(shí)代的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)步之 一 。然而傳統(tǒng)的集成電路工藝已經(jīng)面臨了嚴(yán)峻的挑 戰(zhàn) ,集成電路的發(fā)展已經(jīng)越來越接近技術(shù)所能容許 的極限 ,即電路線寬在 0 . 1 微米以下將達(dá)到僅有單 個(gè)分子大小的物理學(xué)極限 。而人工智能的實(shí)現(xiàn)取決 于計(jì)算機(jī)電路的密度和復(fù)雜性 ,基于

5、此項(xiàng)原因 ,目前 以半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)的電子電路將難以產(chǎn)生真正的 認(rèn)知能力 。而生物計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展無疑對(duì)人工 智能的研究提供了一個(gè)可能的選擇 。生物計(jì)算機(jī)是 一種用生物分子元件組裝成的具有并行數(shù)據(jù)處理 、 三維存儲(chǔ)器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等特征的智能化計(jì)算機(jī) ,主 要有蛋白質(zhì)計(jì)算機(jī)和 dna 計(jì)算機(jī) ,其中 dna 計(jì)算 機(jī)目前的研究較多 。分子運(yùn)算是實(shí)現(xiàn) dna 計(jì)算機(jī) 的關(guān)鍵 。在傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中 ,微處理器應(yīng) 用基本邏輯門 (與 、或 、非等) 構(gòu)建能夠執(zhí)行布爾數(shù)學(xué) 邏輯的電子電路 。與此類似 ,在分子運(yùn)算中一個(gè)主 要的目標(biāo)就是設(shè)計(jì)出可尋址的分子邏輯門 。目前 , 在基于電子學(xué)的分子計(jì)算機(jī)中

6、 ,人們可以應(yīng)用無機(jī) 或有機(jī)材料構(gòu)建納米級(jí)的電子邏輯門 ; 在基于化學(xué) 的電子計(jì)算機(jī)中 ,也有方法應(yīng)用分子或超分子系統(tǒng)構(gòu)建光學(xué)邏輯門 。這些邏輯門具有共同的輸入輸出信號(hào) (電子和光) ,因而較易實(shí)現(xiàn)邏輯門之間的連接 , 從而可以構(gòu)造分子電路 。而邏輯門之間的連接在基 于 dna 的 生 物 計(jì) 算 機(jī) 中 則 是 一 個(gè) 相 對(duì) 較 難 的 問 題 。下面將對(duì)基于 dna 分子的邏輯門設(shè)計(jì) 、邏輯門之間的連接和一些基于 dna 分子的計(jì)算機(jī)雛形作一介紹 。dna 邏輯門的物質(zhì)基礎(chǔ)dna (脫氧核糖核酸) 是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ) 。 dna 由四種堿基 ( a 、t 、g 和 c) 組合而成 ,

7、并通過 堿基的排列組合存儲(chǔ)生物遺傳信息 。dna 的一個(gè) 重要特性是 dna 鏈可以通過堿基互補(bǔ)配對(duì)作用形 成雜合的雙鏈雙螺旋結(jié)構(gòu) ,而且配對(duì)具有高度的特 異性 ,即 a 只能與 t , g 只能與 c 結(jié)合 。這種特異 性作用是 dna 可用于構(gòu)建邏輯門的基礎(chǔ)之一 。與 dna 不同 ,在生物體內(nèi) rna ( 核糖核酸) 是 以單鏈形式存在的 ,而且往往通過鏈內(nèi)的堿基配對(duì) 形成一定的三維結(jié)構(gòu) ,并發(fā)揮特定的生理功能 。與 此類似 ,除了 dna 雙鏈結(jié)構(gòu)可以用于 dna 邏輯門 的構(gòu)建以外 ,特定的核酸結(jié)構(gòu)也是非常有用的構(gòu)造 元件 。核酶 ( ribozyme) 和核酸配體 ( ap tam

8、er) 是現(xiàn) 在受到廣泛關(guān)注的核酸結(jié)構(gòu) ,它們可為 dna ,也可1第 23 頁w w w . globesci . com世界科技研究與發(fā)展專題 :生物工程2006 年 2 月以為 rna , 或者 dna 和 rna 的 雜 合 體 。核 酶 是80 年代初期發(fā)現(xiàn)的具有催化功能的核酸分子 ,具有 高度專一內(nèi)切核酸酶的活性 。與常見的蛋白質(zhì)組成的酶相似 ,核酶能加速細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng) 。經(jīng)過科 學(xué)家十多年的研究 ,核酶已發(fā)展成為一項(xiàng)廣泛應(yīng)用 于健康和疾病預(yù)防中的新型技術(shù) ,顯示出了廣闊的 應(yīng)用前景 。核酸配體則是完全由人工體外篩選產(chǎn)生 的概念 。受組合化學(xué) 、抗體庫和隨機(jī)噬菌體肽庫技術(shù)的啟發(fā)

9、, gold 等于 1990 年構(gòu)建了隨機(jī)核酸庫并 從中篩選出與靶蛋白特異結(jié)合的核酸配體 ,這種方 法被 命 名 為 sel ex 技 術(shù) ( systematic evolutio n of ligands by expo nential enrichment 指數(shù)富集的配體 系統(tǒng)進(jìn)化) 1 3 。其基本原理就是利用分子生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建人工合成的約 20 40bp 單鏈隨機(jī)寡核苷 酸文庫 ,其容量在 10141015 之間 。由于單鏈隨機(jī) 寡核苷 酸 片 段 特 別 是 rna 易 形 成 發(fā) 卡 、口 袋 、假 節(jié) 、g2四聚體等二級(jí)結(jié)構(gòu) ,能與蛋白質(zhì) 、核酸 、小肽 、 氨基酸 、有機(jī)物

10、,甚至金屬離子結(jié)合 ,形成具有特異性識(shí)別作用的復(fù)合物 。利用這一原理 ,將隨機(jī)寡核 苷酸文庫與抗原或藥物等靶分子相互作用 ,洗脫篩 選出特異的核酸配體 ,經(jīng) r t2pcr 及體外轉(zhuǎn)錄生成 新的次一級(jí)文庫 ,再與靶物質(zhì)結(jié)合 。反復(fù)數(shù)個(gè)循環(huán) , 即可篩選出能與靶物質(zhì)特異結(jié)合的寡核苷酸片段 。理論上 ,利用 sel ex 技術(shù)人們可以篩選出針對(duì)任 意靶物質(zhì)的配體 ,并應(yīng)用于臨床治療和診斷等領(lǐng)域 。 目前核 酶 已 經(jīng) 被 廣 泛 應(yīng) 用 到 dna 邏 輯 門 的 研 制 中 ,而核酸配體的應(yīng)用還未見報(bào)道 ,然而可以預(yù)期隨 著研究的深入 ,由于核酸配體的多樣性和復(fù)雜性 ,可 能在 dna 邏輯門研

11、究中發(fā)揮越來越重要的作用 。素發(fā)生很好的 fr e t ,從而激發(fā)熒光素發(fā)出 520 nm的熒光 。輸出被 定 義 為 在 350 nm 激 發(fā) 時(shí) 520 nm處的熒光強(qiáng)度 。因此在輸入 1 和輸入 2 均不存在 時(shí) ,由于只有熒光素存在且不能被 350 nm 的光激發(fā) ,輸 出 為 0 ; 在 僅 有 輸 入 1 存 在 時(shí) , 仍 然 不 存 在hoechst 33342 ,輸出也為 0 ; 在僅有輸入 2 存在時(shí) , 由于 dna 是單鏈 ,而 hoechst 33342 只能與雙鏈結(jié) 合 ,所以 dna 上標(biāo)記的熒光素與 hoechst 33342 之間也不能發(fā)生很好的 fr e t

12、 ,輸出仍為 0 ; 只有當(dāng)輸 入 1 和輸入 2 都存在時(shí) ,dna 片斷 1 和片斷 2 發(fā)生 配對(duì)形成雙鏈 , hoechst 33342 與雙鏈的小溝區(qū)域結(jié) 合 ,因 而 靠 近 片 斷 1 上 標(biāo) 記 的 熒 光 素 , 可 以 通 過 fr e t 激發(fā)熒 光 素 的 熒 光 , 使 之 發(fā) 出 520 nm 的 熒光 ,產(chǎn)生輸出 1 。由此可以看出 ,這種組合方式完全 符合“與門”and 的條件 ,即當(dāng)且僅當(dāng)兩個(gè)輸入都存 在時(shí)輸出才為 1 。nand 是 與 門 與 非 門 的 結(jié) 合 , 在 電 子 邏 輯 門 中 ,and 門的輸出被送到一個(gè)反轉(zhuǎn)器 , 使所有的 0輸出 變

13、成 1 , 1 輸 出 變 成 0 。 ghadiri 等 , 設(shè) 計(jì) 的 nand 門是將 and 門中的輸入 2 從 hoechst 33342 改為溴乙啶 ( eb) ,并將輸出從 350 nm 激發(fā)改為適 合熒光素激發(fā)的 490 nm 。eb 是一種 dna 插入劑 , 且在插入狀態(tài)可以猝滅熒光素的熒光 。因此 ,在輸入 1 (互補(bǔ)鏈 2) 和 2 ( eb) 都不存在或只有輸入 1 存 在時(shí) ,熒光素可以被激發(fā)并發(fā)出 520 nm 處的熒光 , 產(chǎn)生輸出 1 ; 如果只有輸入 2 ,由于 eb 不能插入單 鏈 ,熒光素仍然能夠發(fā)出熒光 ,輸出 1 ;而如果輸入 1 和 2 均存在 ,

14、dna 雙鏈結(jié)構(gòu)形成 ,使 eb 插入并猝滅 熒光素的熒光 ,這時(shí)的輸出就變成了 0 。為了展示這種 dna 邏輯門可以用來排布成邏 輯電 路 , ghadiri 等 設(shè) 計(jì) 了 in h ib i t 門 , 即 將 and 和 nand 結(jié)合起來 ,產(chǎn)生一個(gè)邏輯門的輸出傳遞到 下一個(gè)邏輯門作為輸入 。in h ib i t 門的基本元件 仍然為 3端標(biāo)記有熒光素的 16 堿基的 dna 片斷1 ;輸入 1 為互補(bǔ)鏈 2 ;輸入 2 為 hoechst 33342 ;輸入3 為 eb ;輸出為 350 nm 激發(fā)時(shí)產(chǎn)生的 520 nm 處的 熒光強(qiáng)度 。in h ib i t 定義為在輸入

15、3 存在時(shí) ,不管 其它輸入是否存在 ,輸出值均為 0 。因此 ,在輸入 3eb 不存在時(shí) , in h ib i t 門簡化為 and 門 , 即當(dāng)且僅當(dāng)輸入 1 和 2 存在時(shí)可以觀察到 520 nm 處的熒 光 ;當(dāng) eb 存在時(shí) ,由于其熒光猝滅作用 ,即使輸入 1 和 2 產(chǎn)生了熒光也可以被猝滅 ,因此輸出永遠(yuǎn)為 0 。 從以上 結(jié) 果 可 以 看 出 , 基 于 這 些 簡 單 的 dna基于 dna 分子雜交過程的邏輯門美國 scripp s 研究所的 ghadiri 等在 2003 年提 出了通過熒光標(biāo)記的 dna 分子構(gòu)建分子邏輯門的 方法4 。利用 dna 分子之間的配對(duì)作

16、用和多種熒 光分子之間的 fo ster 共振能量轉(zhuǎn)移 ( fr e t , fo ster reso nance energy t ransfer) 效應(yīng) , 他們構(gòu)建了三種光 學(xué)邏輯門 :and , nand 和 in h ib i t 。and 門的基本元件是一個(gè) 3端標(biāo)記有熒光素 的 16 堿基的 dna 片斷 1 ; 輸入 1 是一段與之完全互補(bǔ)配對(duì)的 16 堿基 dna 2 ; 輸入 2 是一種可以與 dna 雙鏈的小溝結(jié)合的熒光染料 hoechst 33342 。 hoechst 33342 可在 350 nm 被激發(fā) ,在約 450 nm 處 發(fā)出熒光 , 因此可以與在 490

17、 nm 處被激發(fā)的熒光2第 24 頁w w w . globesci . com世界科技研究與發(fā)展2006 年 2 月專題 :生物工程分子雜交反應(yīng)和 fr e t 效應(yīng)人們可以設(shè)計(jì)成精巧的分子邏輯門 ,而且邏輯門之間可以發(fā)生信號(hào)傳輸 ,因此很有希望發(fā)展成為可尋址的分子邏輯門的研究 平臺(tái) 。然而也應(yīng)該指出 ,目前之一研究涉及的邏輯門還比較簡單 ,當(dāng)要求多個(gè)邏輯門存在時(shí) ,如何找到合適的熒光 fr e t 對(duì)且不發(fā)生相互的重疊可能是 一個(gè)較難解決的問題 。這些都有待于進(jìn)一步深入的 研究 。較為復(fù)雜的邏輯門 ,如在此工作中設(shè)計(jì)的 and ( a ,no t (b) , no t ( c) ) 。 基

18、于核酶的邏輯門已經(jīng)引起了研究者的廣泛關(guān)注 ,然而這種邏輯門能否成為未來 dna 計(jì)算機(jī)的 基礎(chǔ)還存在很多關(guān)鍵性問題 。例如水解作用需要較長的時(shí)間 (幾分鐘到幾小時(shí)) ,邏輯門之間的連接仍然存在一些問題等 。前者由于 dna 的超級(jí)并行計(jì) 算能力可能在大規(guī)模計(jì)算時(shí)可以容忍 ,而后者則可 能需要引入新的元件 。例如最近出現(xiàn)的基于具有連 接酶活性的核酶邏輯門 。連接酶邏輯門的優(yōu)勢(shì)在于可以使下游邏輯門不斷輸出更長的 dna 序列用于構(gòu)建連續(xù)電路 ,而且連接酶可以為水解酶提供新的 底物 ,從而得以重建電路 ?；诤嗣傅倪壿嬮T正如前面提及的 ,核酶可以具有非常復(fù)雜的三 維結(jié)構(gòu) ,而且具有特定的酶活性 ,因

19、此可以構(gòu)造非常 精巧的分子邏輯門 。stojanovic 是利用核酶構(gòu)造分 子邏輯門的先驅(qū)之一5 。他選用了一種具有核酸 水解酶活性的 dna 核酶 ,這種核酶具有特定的莖2 環(huán)結(jié)構(gòu) ,可以特異性水解帶有一個(gè)核糖核苷的雜合 dna 片斷 (底物) 。利用這種核酶可以很方便地構(gòu) 建“非門”no t ,即將核酶和兩端分別帶有熒光素和 猝滅劑的底物作為基本元件 ,輸入 1 為一段可以與 核酶的“環(huán)”部分特異性結(jié)合的別構(gòu)效應(yīng)物 (allesteric effecto r) ,可以特異性地調(diào)控核酶的活性 ,使之不能 發(fā)生水解作用 。當(dāng)輸入 1 不存在時(shí) ,核酶可以通過 攻擊底物的核糖核苷并將底物水解 ,

20、這樣就釋放了 熒光素使之產(chǎn)生熒光 (輸出 1) ;當(dāng)輸入 1 存在時(shí) ,核 酶的莖2環(huán)結(jié)構(gòu)被別構(gòu)效應(yīng)所破壞 , 失去了水解活 性 ,底物仍然保持完整 ,熒光素被猝滅劑所猝滅 ,不 能產(chǎn)生熒光 ( 輸出 0) 。基于類似的思路 , stojanovic 等構(gòu)建了更為復(fù)雜的邏輯門 ,并且完成了半加法器( half2adder) 的設(shè)計(jì)6 。盡管利用核酶進(jìn)行 dna 邏輯門設(shè)計(jì)具有非常 大的優(yōu)勢(shì) , 但是 stojanovic 使用的核酶需要將含有 核糖核苷的雜合 dna 作為底物 。由于 rna 核苷 的化學(xué)穩(wěn)定性差 ,容易自我降解 ,而且雜合 dna 合 成成本非常高 ,因此這種邏輯門的推廣是存

21、在問題的 。最近我們?cè)O(shè)計(jì)了一種完全由 dna 堿基構(gòu)成的 邏輯門 ,從而解決了這一問題7 。在這個(gè)工作中選 用了一種銅離子依賴的 dna 核酶 ,這是由 breaker 等首先用 sel ex 方法發(fā)現(xiàn)的8 ,9 ?；谶@種核酶 , 可以方便地構(gòu)建 yes 門 、no t 門等基本的邏輯門 。主要是通過別構(gòu)效應(yīng)物存在下核酶結(jié)構(gòu)的變化來調(diào) 控其水解酶活性 ,使之產(chǎn)生或不產(chǎn)生底物水解切割 反應(yīng) ,然后用電泳方法可以鑒別水解反應(yīng)是否發(fā)生 。 基于這一方法也可以實(shí)現(xiàn)邏輯門之間的連接 ,形成3dna 計(jì)算機(jī)利用 dna 分 子 構(gòu) 建 計(jì) 算 機(jī) 是 人 類 的 夢(mèng) 想 之 一 ,目 前 這 一 領(lǐng) 域

22、 也 已 經(jīng) 取 得 了 相 當(dāng) 進(jìn) 展 。1994 年 ,dna 之父 adleman 在science雜志上首先發(fā)表 開創(chuàng) 性 文 章“molecular co mp utatio n of solutio n to co mbinato rial pro blems”10 ,提出了 dna 計(jì)算的思 想 ,指出 dna 計(jì)算機(jī)一步可完成 1020 次運(yùn)算 , 其 運(yùn)算速度大大超過電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度 ;同時(shí) ,生 物計(jì)算機(jī)每消耗 1 焦耳的能量 ,可以完成 1019 次運(yùn) 算 ,其能量損耗及能量效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電子計(jì)算機(jī) 。 adleman 首先利用 dna 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了具有 7 個(gè)城 市和

23、 13 條航線的哈密爾頓路徑問題 。其解決方案 分為五個(gè)部分 :一 、先用長度為 20 個(gè)核苷酸的不同 dna 序列 ,編碼 7 個(gè)城市設(shè)為 o i ( i = 0 、1 、2 、 6) , 然后將 13 條 i j 邊編碼為 o i j ,o i j 的前 10 個(gè)核 苷酸是 o i 3端的 10 個(gè)核苷酸 ,而后 10 個(gè)核苷酸為o j 5端的 10 個(gè)核苷酸 。在分子生物學(xué)反應(yīng)中 , 將等摩爾量的 o i 的互補(bǔ)鏈和 o i j 混合 ,以 o i 的互補(bǔ) 鏈為模板 ,使對(duì)應(yīng)的邊進(jìn)行反應(yīng) ,進(jìn)而產(chǎn)生各種隨機(jī) 連接序列 ( 路徑) 。二 、以 o0 序列和 o6 的互補(bǔ)序列 為引物 ,通過

24、 pcr 擴(kuò)增隨機(jī)序列 ,不滿足條件的“路 徑”序列將不被擴(kuò)增 。三 、應(yīng)用電泳分離擴(kuò)增產(chǎn)物 , 獲取目的雙鏈 dna ( dsdna) ,此 dna 序列即代表 通過 7 個(gè)城 市 的“路 徑”序 列 。四 、上 述 雙 鏈 dna 變性后與磁顆粒固定的 o1 互補(bǔ)鏈結(jié)合 , 選取通過 城市 1 的通路 。然后依次用磁顆粒固定的 o2 、o3 、 o4 、o5 的互補(bǔ)鏈重復(fù)操作 ,獲取同時(shí)通過所有城市 的路徑 。五 、將最終獲取的 dna 序列通過聚合酶 鏈?zhǔn)椒磻?yīng) ( pcr) 擴(kuò)增 ,用電泳分離輸出結(jié)果 。哈密4第 25 頁w w w . globesci . com世界科技研究與發(fā)展專題

25、 :生物工程2006 年 2 月爾頓路徑問題是一類典型的 n p 問題 。而 n p 問題的計(jì)算時(shí)間隨著變量數(shù)目的增加呈指數(shù)增加 ,因此 電子計(jì)算機(jī)在變量數(shù)目較大時(shí)就對(duì) n p 問題無能為力了 。dna 計(jì)算機(jī)則提供了這樣一種可能 ,在一個(gè) 試管內(nèi)即有成千上萬的 dna 分子計(jì)算機(jī)同時(shí)進(jìn)行 大規(guī)模并行計(jì)算 ,從而可以較快地解決電子計(jì)算機(jī) 所無法解決的 n p 問題 。這一成果在國際上產(chǎn)生了極其巨大的反響 ,并被稱為 dna 計(jì)算機(jī)研究中的里程碑 。此后各國研 究者紛紛投入該領(lǐng)域的研究 ,并產(chǎn)生了很多突破性 的進(jìn)展 。2001 年 ,以色列魏茨曼研究所研制出一種 由 dna 分子和酶分子構(gòu)成的

26、dna 計(jì)算機(jī) 。上海 交通大學(xué)的研究組則基于類似的原理研制了在磁珠上的表面型 dna 計(jì)算機(jī)11 。2002 年 ,日本奧林巴 斯公司聲稱開發(fā)出了全球第一臺(tái)能夠真正投入商業(yè) 應(yīng)用的 dna 計(jì)算機(jī) , 可以用于基因的分析 。然而 他們沒有公布技術(shù)細(xì)節(jié) ,普遍認(rèn)為他們的產(chǎn)品還只 是一種 dna 計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)的雜合體 , 即利用 dna 計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算能力和電子計(jì)算機(jī)相連 接 。最近 ,stojanovic 基于核酶研制出了世界上首臺(tái) 可玩游戲的互動(dòng)式 dna 計(jì)算機(jī) ma ya12 。運(yùn)行 ma ya 程序 曾 是 電 子 計(jì) 算 機(jī) 發(fā) 展 的 里 程 碑 之 一 , stojano

27、vic 的 ma ya 可以進(jìn)行人機(jī)交互 , 而且由于dna 計(jì)算機(jī)的高度并行計(jì)算能力 ,極少有人能夠擊 敗 ma ya 。從這些激動(dòng)人心的進(jìn)展可以看出 ,盡管 dna 計(jì)算機(jī)尚處于其發(fā)展的初期 ,其發(fā)展前景可謂 不可限量 。dna 邏輯門與計(jì)算機(jī)作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域 ,已經(jīng)展現(xiàn)出非常誘人的前景 ,然而也面臨著各種 各樣的技術(shù)挑戰(zhàn) 。首先是目前的分子生物學(xué)技術(shù)尚不能完全達(dá)到這些分子尺度運(yùn)算的要求 。例如常規(guī) dna 重組技術(shù)中的的分子連接效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 dna 計(jì)算機(jī)的要求 ,這往往成為錯(cuò)誤運(yùn)算的來源 。第二 、 dna 邏輯門與計(jì)算機(jī)的芯片化 。現(xiàn)代的電子計(jì)算 機(jī)是芯片化 ,集成電路式的 。

28、因此如果能夠?qū)?dna邏輯門或計(jì)算機(jī)從試管型轉(zhuǎn)換為芯片型將是一個(gè)巨 大的進(jìn)步 ,從而更有可能成為真正的計(jì)算機(jī) 。第三 、 信號(hào)輸入輸出問題 。目前的 dna 邏輯門或計(jì)算機(jī) 的輸入輸出信號(hào)主要是通過分子生物學(xué)操作 ( 如電 泳) 或熒光閱讀器來實(shí)現(xiàn)的 。顯然如果能夠象電子計(jì)算機(jī)一樣通過電信號(hào)來進(jìn)行通訊就有可能顯著提 高傳輸效率 。這一點(diǎn)將可能依賴于 dna 雜交反應(yīng)的電學(xué)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展13 ,14 。參考文獻(xiàn)1osbo rne se , ellingto n ad. nucleic acid selectio n and t he chal2lenge of co mbinato rial c

29、hemist ry. chem. rev. , 1997 , 97 : 349 702 so uku p ga , breaker rr. allo steric nucleic acid catalyst s. curr .opin . st ruct . biol . ,2000 ,10 :318253 ro bert so n m p , ellingto n ad. in vit ro selectio n of an allo steric ri2bozyme t hat transduces analytes into amplico ns. nat . biotech2nol .

30、 , 1999 , 17 :6264 sa ghatelian a , volcker n h , guckian km , lin vs2y , ghadirimr. dna2based photo nic logic gates : and , nand , and in2hib i t. j . am. chem. soc . , 2003 , 125 :34675 sto janovic mn , mitchell t e , stefanovic d. deo xyribozyme2basedlogic gates. j . am. chem. soc . , 2002 , 124

31、:12356 sto janovic mn , stefanovic d. deo xyribozyme2based half adder . j .am. chem. soc . , 2003 , 125 :667367 chen x , wang y , liu q , zhang z , fan c , he l . co nst ructio n of molecular logic gates wit h a dna2cleaving deo xyribozym. angew . chem. int . ed. , 2005 , in p ress8 car mi n , balkhi sr , breaker rr. cleaving dna wit h dna proc .natl acad. sci . , u sa 1997 , 95 :223379 car mi n , breaker rr. characterizatio n of a dna2cleaving deo xyri2bozyme . bioo rg. med. chem. , 2001