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科学家开发出能加密和破译图像的生物计算机

美国物理学家组织网2月8日(北京时间)报道,美国加州斯克里普斯研究院和以色列理工学院科学家开发出一种生物计算机,目前可用于破译存储在DNA芯片中的加密图像。这是首次通过实验演示基于DNA计算的分子图像密码系统。相关论文发表在最新一期《应用化学》上。

电子计算机由硬件、软件、输入和输出4个部分构成,输入、输出的是电子信号,硬件是各种金属、塑料、导线、晶体管的复杂组合,软件是一系列电子信号形式的机器指令。而生物计算机这4个部分全是分子,所有生物系统甚至整个有机生物界、每个人都是一台生物分子计算机,其硬件和软件是复杂的生物分子,分子之间能有逻辑地进行“交谈”。它们互相激活,执行某个预定的化学反应。输入是一种经过特殊预定变化的分子,遵循一套特殊的法则(软件),这种化学计算过程的输出,是另一种明确规定好了的分子。

新开发的生物计算机是把化学成分和一种装有溶液的管子连接在一起,溶液中混合着各种不同的小DNA分子、经过选择的DNA酶和ATP(三磷酸腺苷)。“这是一种清澈的溶液,你看不到任何东西。”领导该研究的以色列理工学院教授艾胡德·柯南说,“当分子开始相互作用,我们就可以静候结果。还可以调整混合液中DNA和DNA酶改变处理过程,以得到想要的结果。”

生物计算机是根据图灵机的模型设计的,图灵机的操作与DNA链极为相似。阅读开端从一个字母到另一个字母,在每个位点都执行4步操作:阅读字母;用另一个字母替代该字母;改变它的内部形态;移动到下一个位置。一张指令表就是翻译规则或翻译软件,指示这些操作。“我们的设备是图灵机的简化版。”柯南说。

柯南还指出,对于传统计算任务而言,电子计算机速度更快、更可靠,生物计算机的主要优势在于其生物特性。人们能把大量信息经过加密存储在DNA芯片中,生物计算机处理单个步骤虽然比电子计算机要慢,但它能平行处理数万亿的化学步骤,使整体计算过程非常快。“这种技术让我们能在一个芯片中印上数百万像素,经过加密后,这种芯片能存储的图像数量可以达到天文数字。”

此外,这种设备能直接和生物系统甚至活的有机生物相互作用,因为分子计算机的4个组成部分之间都不需要接口,溶液中的分子会以一种瀑布般方式按照编好的程序进行化学反应

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