我們千篇一律地想象電子設(shè)備是用硅芯片制造的，其中計算機存儲和處理用微小電荷表示的二進制零一數(shù)碼信息。但是它并不一定要是這種方式：在硅的替代品中，有像DNA這樣的有機介質(zhì)。

Leonard Adleman在1994首先演示了DNA計算，他完全用DNA編碼和求解了旅行推銷員問題，這是一個尋找推銷員在假想城市之間旅行的最有效路徑的數(shù)學(xué)問題。

脫氧核糖核酸DNA，能以分子編碼序列存儲大量信息，這些編碼被稱為核苷酸，包括胞嘧啶(C)、鳥嘌呤(G),腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)。不同物種遺傳密碼的復(fù)雜性和的巨大差異顯示出用CGAT編碼能在DNA中存儲多少信息，而這種能力可以被用于計算。利用稱為核酸分子雜交的結(jié)合工藝，DNA分子可以用來處理信息。它使用一條DNA鏈作為輸入，通過轉(zhuǎn)換產(chǎn)生后續(xù)DNA鏈作為輸出。

自Adleman實驗以來，已經(jīng)提出許多基于DNA的“電路”來實現(xiàn)如布爾邏輯、算術(shù)公式、和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算等計算方法。這種稱為分子編程的方法，把計算上的慣用概念和設(shè)計應(yīng)用到適合于處理DNA的納米尺度方法。

在這個意義上的“編程” 真正是生物化學(xué)過程。所創(chuàng)建的“程序”實際上是選擇分子相互作用的方式，以DNA自組裝過程實現(xiàn)特定結(jié)果，無序的分子集合自發(fā)地相互作用，形成所需排列的DNA鏈。

DNA“機器人”

DNA也能用于控制運動，可以有基于DNA的納米機械裝置。這由Bernard Yurke和同事們在2000年首先實現(xiàn)，他們用DNA鏈創(chuàng)造了能開合的鑷子。后來的實驗如2011年Shelley Wickham和同事們和牛津Andrew Turberfield實驗室演示了可以遍歷給定路線的納米尺度行走機器，完全由DNA制成。

一個可能的應(yīng)用是，這樣的納米機器人DNA行走器可以沿著軌道邊步進邊做出決策，并在到達終點時發(fā)出信號，表示計算已經(jīng)完成。正如電子電路是印刷在電路板上的，DNA分子可以用來打印類似的軌道，在DNA磚上排列成邏輯決策樹，沿途用酶控制決策分支，導(dǎo)致行走器走上這個或那個軌道。

DNA行走器也可以攜帶分子貨物，因此可以用來在體內(nèi)運送藥物。

為什么要用DNA進行計算?

DNA分子有許多吸引人的特性，包括它們的尺寸(2納米寬度)，可編程性和高存儲容量——遠遠大于它們的硅片同行。DNA同時也是多用途、廉價和容易合成的，而且用DNA計算所需的能耗比電力驅(qū)動的硅處理器少得多。

它的缺點是速度：它目前需要幾個小時來計算四位數(shù)字的平方根，傳統(tǒng)計算機可以在百分之一秒內(nèi)完成。另一個缺點是DNA電路是一次性使用的，需要重新建造才能再次運行相同計算。

DNA對于電子電路最大的優(yōu)點可能是它可以與其生物化學(xué)環(huán)境相互作用。分子計算涉及識別某些分子的存在或缺失，因此DNA計算的一個自然應(yīng)用就是把這種可編程性帶入環(huán)境生物傳感領(lǐng)域，或在生物體內(nèi)遞送藥物和療法。

DNA程序已經(jīng)被投入醫(yī)學(xué)使用，如診斷結(jié)核。另一個提議中的應(yīng)用是以色列魏茨曼科學(xué)研究所的Ehud Shapiro編寫的針對腫瘤分子的納米生物學(xué)“程序”，被稱為“細胞中的醫(yī)生”。其它的DNA醫(yī)用程序能針對淋巴細胞(一種白細胞)，它是以特定細胞標(biāo)記物的存在或缺失而定義的，自然可以用真/假布爾邏輯來檢測。然而，我們還需要更多努力，才能將智能藥物直接注入生物體內(nèi)。

DNA計算的未來

從廣義上說，DNA計算具有巨大的未來潛力。它的巨大存儲容量、低能耗成本、利用自組裝能力的易于制造性、以及它與自然世界的易親和力，都是進入納米尺度計算的入口，可能的設(shè)計將集成分子和電子元件兩者。自誕生以來，該技術(shù)已取得飛速進展，已經(jīng)交付了現(xiàn)場即時診斷和概念驗證智能藥物——能就治療類型作出診斷決定。

當(dāng)然，也有許多挑戰(zhàn)需要加以解決，才能使該技術(shù)從概念驗證前進到真正的智能藥物：DNA行走器的可靠性、DNA自組裝的魯棒性、以及改進藥物輸送。但一個世紀(jì)的傳統(tǒng)計算機科學(xué)研究會有助于通過新的編程語言、抽象、和形式化驗證技術(shù)來研發(fā)DNA計算，這些技術(shù)已經(jīng)革命了硅電路設(shè)計，同樣能助力有機計算沿著相同路徑起飛。