“细菌—噬菌体”联合生物计算机的研究

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生物计算机的研究是理论计算机研究领域的一个重要分支,生物计算机的核心思想是用生化反应来模拟计算操作。依托生物分子尤其是DNA分子的大规模并行性,生物计算机在解决NP问题中的潜在能力为世人关注。从1994年到现今是生物计算机蓬勃发展的十年,生物计算机的研究也从理论研究阶段跨越到实验验证阶段。 目前几乎所有的生物计算机都是在体外进行的,既利用生物分子在体外的生化反应来模拟计算操作。体外计算的优点是设计简单和易于实现;缺点是需要人工的操作或设备的辅助,否则计算机的自动性无法得到实现,这样的计算不但麻烦而且没有用生物体的自我调控机制来对计算进行控制,只是将生物分子作为数据载体和操作工具的计算机,如DNA计算机。 如果能将计算置于生物体内,就可以利用生物自动性对计算进行控制。体内计算机的设计远比体外计算机要复杂,这不仅因为对生物体的体内环境知识的匮乏和对生物自身调控机制的不甚了解,而且也是对将计算植入生物体内所造成的对生物体的影响估计不足。 本文所提出的“细菌一噬菌体”联合生物计算机(以下简称菌毒计算机)是对体内计算机设计的一种尝试,是对将计算置于生物活体内进行的可行性的一种探索。菌毒计算机的基本思想是在噬菌体感染细菌的整个生化反应过程中插入模拟计算的生化反应。细菌,噬菌体和细菌体内的质粒是整个菌毒计算机的硬件架构,其中细菌的基因组编码有计算工具酶基因,噬菌体的基因组编码有字符带和计算启动基因,质粒则编码插入规则集。在一次感染的过程中,计算启动基因编码的产物既反阻遏蛋白用于和抑制计算工具酶基因转录的阻遏蛋白形成复合物,使其失活,从而启动计算工具酶的转录。计算工具酶是指和计算操作相关的生化酶,如限制性核酸内切酶,连接酶等。菌毒计算机采用insertion/deletion systems(插入删除系统)为其理论模型,该系统具有和Turing机等同的计算能力。菌毒计算机利用酶切连接机制来对该模型进行模拟,从而实现计算。计算工具酶对噬菌体基因组DNA分子和质粒DNA分子的操作既是酶切连接机制的运用。 虽然菌毒计算机的设计都是基于最基本的生命规律,没有任何不切实际的凭空想象,但其实现和应用还需假以时日。一方面,体内计算机设计本身的难度制约了其发展;另一方面,体内计算机的研究必须和生物学的基础研究同步进行,而不可能超越其发展阶段。因此,菌毒计算机的研究只能是生物体内计算机研究的一个特定阶段,是对体内计算是否可行的理论分析,其象征意义大于实用价值。
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