DNA计算机可进化吗

许多先进技术的实践似乎都来自战争的想象.在科幻世界中,未来战士们的大脑被植入芯片,使大脑基本能力呈几何级数增长,令战斗力超凡.他们能回忆起任何一个训练细节,也能在任何时刻准确无误地接受上级指令,成为以一敌百的“超级战士”.

现实中,这种植入芯片提高作战能力的设想并非第一次出现,而脑神经与芯片连接,比国际空间站与一节火车对接要复杂得多,毕竟脑机接口技术要链接的是两种绝然不同的物质.

不过,最近进行的一项实验中,研究人员应用定向进化方法创造了制造二氧化硅的酶,而二氧化硅是用于制造半导体和计算机芯片的材料.也就是说,未来,就像科幻小说那样,向大脑植入以DNA为基础的人造智能芯片,就像现在接种疫苗一样简单.

至少,它可以让已准确“运行”50年的“摩尔定律”继续生效.1965年,英特尔创始人之一戈登摩尔就计算技术作出一项预言,也就是至今仍然有效的“摩尔定律”,内容是电路上可容纳的晶体管数目,约每隔两年便会增加一倍,计算机的处理速度也将提升一倍.如今,大多数专家预计这种增长速率将在2020年前放缓,但这种创造硅半导体的全新方法可望继续保持这种速率,甚至可能予以加速.

人工干预的进化

不久前,刊登在《美国国家科学院院刊》上的研究报告对此作了详细解读,来自加州大学圣巴巴拉分校和其他地区的研究人员已经掌握了进化过程,用于制造能够产生新型半导体结构的酶.

“它看起来像是自然选择,但我们做的其实是人工选择.”加州大学圣巴巴拉分校荣誉教授,该报告作者之一丹尼尔莫尔斯在一次访谈中说.具体做法是让取自海绵动物的一种酶突变,形成多种突变体,“我们从百万种突变的DNA中选出能够制造半导体的一个”.

在此前一项研究中,莫尔斯和研究小组的其他成员曾经发现了硅蛋白——一种海绵动物用于构建它们的硅骨骼的天然酶.碰巧的是,这种矿物同样被用于制造半导体计算机芯片.“于是我们就想,是否可以通过基因工程改变酶的结构,使之可以制造通常活生物体不会制造的其他矿物质和半导体?”莫尔斯说.

为了使之成为可能,研究人员分离出携带硅蛋白编码的DN段并大量复制,然后在DNA中定向引入数百万种突变.在此过程中,偶尔会出现硅蛋白突变体,它们能够生成不同的半导体——这种工艺完全是自然选择的翻版,只不过所费时间更短,而且受到人工选择的定向干预,并非适者生存的结果.

定向进化

为了弄清哪些硅蛋白DNA的突变形式能够导致所需的半导体生成,DNA需要通过一个细胞的分子机器进行表达.“问题是,尽管二氧化硅相对无害于活细胞,我们想要生成的一些半导体则带有毒性,”莫尔斯说,“因此我们不能使用活细胞,必须采用合成的细胞替代物.”

作为人工合成的细胞替代物,研究小组利用塑料珠表面在水中形成的微小囊泡.一种不同形式的海绵动物DNA被涂在数百万微珠表面,浸在水里,水里则添加了DNA酶表达所需的化学物质.

接下来,塑料珠“细胞”被封闭在油里,作为人工制作的细胞膜.塑料珠再被置于一种溶剂中,其中含有变异酶开始在塑料珠表面合成半导体矿物质过程中所需的化学物质（硅和钛）.

经过一段时间的等待,让酶完成材料的制造工作,然后使塑料珠穿过激光束,激光束旁边的感应器会自动识别出那些携带所需半导体(二氧化硅或二氧化钛)的塑料珠.随后,那些表面成功合成了半导体的微珠被破碎,以便发生突变的DNA可被分离并确认其效能.

各种形态的二氧化硅如今被用于计算机芯片的生产,而二氧化钛则用于制造太阳能电池.利用生物酶和定向进化制造这些材料是首要目的.

当然,上述成果并不意味着研究人员已可以让细胞自行制造计算机芯片,但它的确预示着以新工艺制造半导体的发展方向.

人机合一有多远

完全可以想象,基于此而产生的DNA计算技术一旦成熟,那么真正的“人机合一”就会实现.因为大脑本身就是一台自然的DNA计算机,只要有一个接口,DNA计算机通过接口可以直接接受人脑的指挥,成为人脑的外延或扩充部分,而且它以从人体细胞吸收营养的方式来补充能量,不用外界的能量供应.

无疑,DNA计算机的出现将给整个世界带来巨大的变化.它在研究逻辑、破译、基因编程、疑难病症防治以及航空航天等领域的应用具有独特优势.如果DNA计算机变为现实,那么在人体甚至在细胞内运行的计算机研制就成为可能,它能够充当监控装置,发现潜在的致病变化,还可以在人体内合成所需的药物,治疗癌症、心脏病、动脉硬化等疑难病症,甚至在恢复盲人视觉方面,也将大显身手.

不过,由于受目前生物技术水平的限制,DNA计算过程中,前期DNA分子链的创造和后期DNA分子链的挑选,要耗费相当的工作量.而且数以亿计的DNA分子非常复杂,在反应过程中很容易发生变质和损伤,甚至试管壁吸附残留都可能发生致命错误.因此,DNA计算机真正进入现实生活尚需时日.

雨读根据《史密森杂志》博客、北青网、科技部门户网站、百度百科综合编辑.