科學松鼠會 ? [解惑系列]生物計算機，裡面養著啥生物？

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一般來說，當我們不知道一個名詞的意思時，會自動地把手伸向計算機鍵盤，打開搜索引擎瀏覽一番。但是對於生物計算機這個詞條，總覺得搜索到的名詞解釋仍然令人一頭霧水。機器和生命總是在科幻小說和電影中被設定為一對矛盾的事物，是怎樣摒棄前嫌組合到一起的呢？既然要由生物來完成計算，裡面究竟是那種生物？聰明的細菌還是浸泡在藥水中的、插滿電極的大腦？而且，只要是生物就會有死亡，要是計算機中某一環節的生物死了，計算機不是就「死機」了？裡面儲存的信息會不會隨著一起消失？

一個微微顫動的大腦泡在大罐子里，上面接滿了線或許是很多人對於生物計算機最本能的想像了。不過這種想像和真實之間的距離有點遠。

生物計算機里，其實沒有任何活著的生物或者器官，有的只是一些在生物體內能夠找到的材料而已；它們只是一些分子，並沒有活與死的區別。 電子計算機是以電流來傳遞信號的，而在生物計算機中，傳遞信號的則是不同的分子——生物計算機其實應該叫做DNA計算機或者生物分子計算機，它是由DNA（脫氧核糖核酸）、RNA（核糖核酸）和蛋白質分子構成的分子自動機。它和今天我們使用的電子計算機十分不同，不過這兩者之間卻還是有些微妙的相似之處。

這還得從六十年前說起。1948年，現代電子計算機技術的奠基者之一、美籍匈牙利人約翰?馮?諾依曼（John von Neumann，1903-1957）在加利福尼亞州帕薩迪納做了系列演講，提出了關於「自動複製機器」的設想。他認為任何能夠自我繁殖的系統，都應該同時具有兩個基本功能：能夠構建某一個組成元素和結構與自己一致的下一代，以及能夠把對自身的描述傳遞給下一代。馮?諾依曼把這兩個部分分別叫做「通用構造器」和「描述器」，而描述器又包括了一個「通用機」和保存在通用機能夠讀取的介質上的描述信息。這樣，只要有合適的原料，通用構造器就可以根據描述器的指示，生產出下一台機器，並且把描述的信息也傳遞給這台新機器。隨後，新機器啟動，再進入下一個循環。 五年之後，詹姆斯?沃森（James Dewey Watson，1928-）和弗朗西斯?克里克（Francis Harry Crick，1916-2004）發現了DNA的雙螺旋結構，人們才意識到大部分生物的遺傳物質DNA就具備馮?諾依曼所提出的兩個要求。

DNA很像是計算機的硬碟或者馮?諾依曼那個時代的磁帶存儲器，通過四種鹼基不同順序的編碼，存儲了生物所有的遺傳信息，它本身就是一個描述器。這也就意味著，理論上我們可以使用四種鹼基的組合來編碼信息，並對其進行運算操作。 我們知道，DNA由G（鳥嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）四種鹼基構成，共同構成了相互纏繞的雙鏈階梯狀的雙螺旋結構。如果一條單鏈上某個位置的鹼基是腺嘌呤A的話，另一條單鏈的對應位置上則必然是胸腺嘧啶T；鳥嘌呤G和胞嘧啶C也存在同樣的對應關係。這種方式很安全——如果一條DNA單鏈因為某種原因而被破壞，還可以根據另一條單鏈上對應位置的鹼基把它補全，就像硬碟的鏡像備份一樣。

雖然理論上來說，DNA分子可以用來構建計算機器，但是真正實現則要到上世紀九十年代。那時，南加州大學的計算機科學家倫納德?阿德曼（Leonard Max Adleman，1945-）偶然看到了詹姆斯?沃森那本著名的《基因的分子生物學》：「我躺在床上讀這本書時，忽然意識到，互補的鹼基和聚合酶的這種工作模式可以用來計算。」

1994年，阿德曼在《科學》雜誌上發表了一篇論文，提出了用DNA計算的方式解決七頂點旅行商問題的方案（旅行商問題也叫漢密爾頓路徑問題，要求在多個頂點之間尋找出一條最短路徑，經過所有頂點，但是每個頂點只能經過一次）。對於電子計算機來說，要解決這種問題需要先找到所有的可能路徑，再對其分別比較以選出最短路徑來。阿德曼的DNA計算機也使用了類似的方式，不過它的運算速度要比電子計算機快得多——但是，挑選出結果卻要慢得多。首先，他用不同鹼基的組合分子定義出每個頂點和每兩個頂點之間的路徑，其中路徑的編碼剛好和兩個頂點的編碼互補；再把這些分子和合適的酶放進試管，讓它們自由組合。只需要幾秒鐘，分子們就已經組合出了答案，只不過正確答案和所有的錯誤答案都混在一起而已。 接下來，阿德曼花了七天時間把正確答案挑選出來。他用電泳技術先把長度符合答案的DNA鏈分揀出來，再用親和力萃取技術選出所有包含第一個頂點的DNA鏈，再從中分出同時包含第二個頂點的DNA，以此類推。在經過七次萃取之後，他獲得了同時包含七個頂點的DNA鏈，以及連接這七個頂點的八條線路。這次在試管里進行的生物計算，獲得了數學問題的答案。雖然它的效率很低，但是這畢竟證明了DNA計算並不僅僅是紙面上的設想。 阿德曼的成功，掀起了DNA計算的熱潮。1997年，美國羅切斯特大學的研究者安尼麥史?雷（Animesh Ray，1958-）和荻原光德（Mitsunori Ogihara，1963-）用DNA分子實現了計算機的基本器件邏輯門，讓傳統的布爾邏輯運算成為可能。但是只有邏輯門並不意味著可以製造出計算機，就像掌握了燒磚的技術並不意味著能夠建造起摩天大樓一樣。科學家們還在繼續摸索。

在進入二十一世紀之後，DNA計算的熱點主要集中到自組裝相關計算和體內DNA計算上來。這些研究方向將可能會造就納米尺度上的計算元件，也可能會製造出針對性很強的新型檢測方法和藥物。相關的研究成果層出不窮，但是還遠遠沒有能夠達到可以實際應用的程度。今年六月，美國加州理工學院的研究者製造出了由74個DNA分子組成的生化電路，可以計算一個小於15的整數的平方根。這是迄今為止最複雜的DNA計算裝置，但是它依然比任何一個單細胞生物都要小得多。人們現在努力的方向之一，是把DNA計算移植到晶元上進行，當然其主角依然是那些納米級尺寸的DNA分子。也許這種計算設備會被叫做「生物計算晶元」，而當它上市的時候我們就會發現，它裡面依然沒有什麼我們一般概念上的生物：沒有植物、沒有動物，連細菌都沒有。 所以，不用擔心生物計算機裡面的生物；它們不會死掉的。

與《新發現》雜誌合作，刊登於「解惑」專欄