导语：当人们开始提出智能药物概念，传统的芯片已经无法满足人们的需求。让DNA进行数据处理，会是医学发展的一个方向吗？
关键词：DNA，数据处理，计算机
说到电子设备，我们总是先想到硅芯片——一种计算机利用微小电荷表现二进制（0和1）对信息进行存储和处理的设备。但我们可以用有机介质来代替硅，如DNA。
Leonard Adleman在1994年提出DNA计算的概念，他曾经编码并解决了旅行推销员问题，这是一个为推销员寻找假设两个城市之间最佳路径的数学难题，现在，这个问题可以由DNA来解决。
脱氧核糖核酸，也就是DNA，能够通过四种核苷酸所编码的序列来储存大量信息，它们分别是胞嘧啶（cytosion, C），鸟嘌呤（guanine, G），腺嘌呤（adenine, A）和胸腺嘧啶（thymine,T）。不同物种遗传密码的复杂程度和多样性能够反映利用CGAT能够储存多少信息，而这种储存能力能够运用到计算中。DNA双链的结合过程被称为杂交，利用这个方法，DNA分子能够用于处理信息。人们将单链DNA作为输入信息，随后加入的单链DNA实现了转化，成为输出的信息。
Adleman的试验成功后，人们提出了许多基于DNA“电路”的设想，其中可能实施的算法包括布林逻辑、算术公式以及神经网络算法。这个被称为分子程序的方法，将习惯用于计算的概念和设计应用到适用于利用DNA进行纳米级信息处理的方法。
这是电路，但不是我们平时看到的电路。
从这个意义上来说，“编程”是一种真正的生物化学过程。“程序”实际上是一种通过DNA的自组装过程获取特异性结果的方式，其中分子无序的汇集将会自发互动形成理想的DNA
DNA “机器人”
DNA也能够用来控制动作，当然，这需要基于DNA的纳米机械装置的帮助。Bernard Yurke及其同事在2000年首次实现了这个设想，他们曾经将DNA双链变成能够张合的钳子。随后，2011年Shelley Wickham及其同事的实验，以及牛津大学Andrew Turberfield实验室的实验，都证明纳米分子行走机能够完全由DNA构成，并在设定路线上来回移动。
一种可能的应用是让这种纳米机器人沿着预设的程序行走，并在到达终点时发出信号，指示计算已经完成务。正如电子回路被制成电路板那样，DNA分子也能够通过逻辑决策树安排在DNA板上印制相似的轨道，并通过酶来控制树的每个分支，让行走者沿着特定的轨迹行走。
DNA行走者还能够携带分子，因此它们也能够将药物带入人体内。
DNA为什么能做运算？
DNA分子具有许多特性，包括尺寸（2纳米的宽度）、可编程性以及极高的存储能力——这些特性比同类的硅存储器要好很多。DNA的好处不止这些，它便宜、易于合成，DNA计算比电力硅处理器需要的能量更少。
其缺点很明显：如今，人们用了很长的时间计算四位数字的开方，而传统计算机能够在百分之一秒内完成。另一个缺点则是DNA回路是一次性的，要想再次进行同样的计算，则需要重建。
相比电子回路，DNA的最大优势或许在于它能够与生化环境相互作用。用分子进行计算需要确认特定的分子是否存在，这样，自然条件下操作的DNA计算就能将其可编程性带进环境生物传感的范畴，或将药物和疗法输送进活的生物体内。
DNA程序已经用于医学，例如肺结核的诊断。另一个应用是纳米生物“程序”，这个设想由以色列魏兹曼科学院的Ehud Shapiro提出，他们称其为“细胞中的医生”，能够靶向作用于癌症分子。另一个用于医学的DNA程序则作用于淋巴细胞（一种白细胞），能够判定一种细胞标记是否存在，利用布林逻辑来判断其是否正确。然而，在我们能够将这些智能药物直接注入活体前，还需要很多努力。
DNA计算的未来
广义而言，DNA计算机在未来潜力巨大。它的自组装功能使其具有强大的存储功能，更低的能耗和简洁的制作工艺，而其与自然界之间的亲和性或许能够让我们进入纳米计算的时代，将分子和电子的原件结合为一体。起初，这项技术突飞猛进，能够传输诊断检测结果以及通过概念设计的智能药物——这种技术能够使诊断决策最终成为一种疗法输出。
我们依然面临着很多挑战：DNA印记的可靠性，DNA自组装的稳定性以及如何提高药物传递效率。只有解决这些问题，才能设计出真正的智能药物。但是，历经百年的DNA传统计算科学研究为我们奠定了良好的基础，通过新的汇编语言、抽象化和形式化的验证技术，我们可以开发DNA运算。先前的技术已经彻底改变了硅电路设计，也能以同样的方式开发有机计算。
（翻译：邵楠；审校：林清）
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