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DNA運算

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生物兼容計算設備： 脫氧核糖核酸（DNA）

DNA計算（DNA computing，或譯DNA運算）是一個新出現的交叉學門領域，利用DNA、生物化學以及分子生物學原理，而非傳統上以硅為基礎的電子計算技術。該領域涉及DNA計算的理論、實驗和應用。雖然該領域最初始於 1994 年Len Adleman的計算應用演示，但現在已擴展到存儲技術開發等其他幾個方面、[1][2][3]納米級成像模式、[4][5][6]合成控制器與反應網絡、[7][8][9][10]等。

歷史

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DNA運算最先由南加州大學的倫納德·阿德曼在1994年實現。[11]Adleman演示了一種將DNA應用於解決七點 哈密頓路徑問題的概念驗證方法。自Adleman的實驗以後，學界又取得了許多進展，多種圖靈機被證明是可行的。[12] [13]

儘管一開始的研究熱點集中在解決P/NP問題，但人們旋即意識到此類問題並不是DNA運算的最佳應用場合，以致有多種意見要求尋找殺手級應用。1997年，計算機學家 Mitsunori Ogihara和生物學家Animesh Ray一道提出了一種組合邏輯電路的評價方法，並描繪了實現方法。[14][15] 2002年，來自Weizmann Institute of Science的研究者公開了一種由DNA分子和酶，而不是硅組成的計算機器。[16] 2004年3月28日，Weizmann Institute的Ehud Shapiro, Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor,和Rivka Adar在自然雜誌上發表文章稱，他們實現了一種整合了輸入輸出的DNA計算機，理論上可以實現細胞內的癌症診斷，並釋放抗癌藥物。DNA分子由四種鹼基組成，通過酶改變他們的排列可以進行計算。[17][18] 2004年，英國科學家成功的在一小團DNA中存儲了大量文件，並成功讀取。[19]

2003 年，Reif's group 首次展示了一種基於 DNA 的行走器，這種行走器可以沿着類似於線性跟隨機器人的軌道行走。他們利用分子生物學作為行走器的能量來源。自首次展示以來，已經有多種基於 DNA 的步行器被展示出來。

優點和缺點

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DNA 計算機的處理速度較慢（響應時間以分鐘、小時或天計算，而不是以毫秒計算），但它可以進行大量的多重並行計算。這使得系統進行複雜計算所需的時間與進行簡單計算所需的時間相近。之所以能做到這一點，是因為數百萬或數十億分子能同時相互影響。不過，分析 DNA 計算機給出的答案要比數字計算機難得多。

參見

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外部連結

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  1. ^ Church, G. M.; Gao, Y.; Kosuri, S. Next-Generation Digital Information Storage in DNA. Science. 2012-08-16, 337 (6102): 1628. Bibcode:2012Sci...337.1628C. ISSN 0036-8075. PMID 22903519. S2CID 934617. doi:10.1126/science.1226355 可免費查閱. 
  2. ^ Erlich, Yaniv; Zielinski, Dina. DNA Fountain enables a robust and efficient storage architecture. Science. 2017-03-02, 355 (6328): 950–954 [2024-01-17]. Bibcode:2017Sci...355..950E. ISSN 0036-8075. PMID 28254941. S2CID 13470340. doi:10.1126/science.aaj2038. （原始內容存檔於2023-03-06）. 
  3. ^ Organick, Lee; Ang, Siena Dumas; Chen, Yuan-Jyue; Lopez, Randolph; Yekhanin, Sergey; Makarychev, Konstantin; Racz, Miklos Z.; Kamath, Govinda; Gopalan, Parikshit; Nguyen, Bichlien; Takahashi, Christopher N. Random access in large-scale DNA data storage. Nature Biotechnology. March 2018, 36 (3): 242–248 [2024-01-17]. ISSN 1546-1696. PMID 29457795. S2CID 205285821. doi:10.1038/nbt.4079. （原始內容存檔於2024-03-27） （英語）. 
  4. ^ Shah, Shalin; Dubey, Abhishek K.; Reif, John. Programming Temporal DNA Barcodes for Single-Molecule Fingerprinting. Nano Letters. 2019-04-10, 19 (4): 2668–2673. Bibcode:2019NanoL..19.2668S. ISSN 1530-6984. PMID 30896178. S2CID 84841635. doi:10.1021/acs.nanolett.9b00590. 
  5. ^ Sharonov, Alexey; Hochstrasser, Robin M. Wide-field subdiffraction imaging by accumulated binding of diffusing probes. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2006-12-12, 103 (50): 18911–18916. Bibcode:2006PNAS..10318911S. ISSN 0027-8424. PMC 1748151 可免費查閱. PMID 17142314. doi:10.1073/pnas.0609643104 可免費查閱 （英語）. 
  6. ^ Jungmann, Ralf; Avendaño, Maier S.; Dai, Mingjie; Woehrstein, Johannes B.; Agasti, Sarit S.; Feiger, Zachary; Rodal, Avital; Yin, Peng. Quantitative super-resolution imaging with qPAINT. Nature Methods. May 2016, 13 (5): 439–442. ISSN 1548-7105. PMC 4941813 可免費查閱. PMID 27018580. doi:10.1038/nmeth.3804 （英語）. 
  7. ^ Shah, Shalin; Wee, Jasmine; Song, Tianqi; Ceze, Luis; Strauss, Karin; Chen, Yuan-Jyue; Reif, John. Using Strand Displacing Polymerase To Program Chemical Reaction Networks. Journal of the American Chemical Society. 2020-05-04, 142 (21): 9587–9593. ISSN 0002-7863. PMID 32364723. S2CID 218504535. doi:10.1021/jacs.0c02240. 
  8. ^ Chen, Yuan-Jyue; Dalchau, Neil; Srinivas, Niranjan; Phillips, Andrew; Cardelli, Luca; Soloveichik, David; Seelig, Georg. Programmable chemical controllers made from DNA. Nature Nanotechnology. October 2013, 8 (10): 755–762. Bibcode:2013NatNa...8..755C. ISSN 1748-3395. PMC 4150546 可免費查閱. PMID 24077029. doi:10.1038/nnano.2013.189 （英語）. 
  9. ^ Srinivas, Niranjan; Parkin, James; Seelig, Georg; Winfree, Erik; Soloveichik, David. Enzyme-free nucleic acid dynamical systems. Science. 2017-12-15, 358 (6369): eaal2052. ISSN 0036-8075. PMID 29242317. doi:10.1126/science.aal2052 可免費查閱 （英語）. 
  10. ^ Soloveichik, David; Seelig, Georg; Winfree, Erik. DNA as a universal substrate for chemical kinetics. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2010-03-23, 107 (12): 5393–5398. Bibcode:2010PNAS..107.5393S. ISSN 0027-8424. PMC 2851759 可免費查閱. PMID 20203007. doi:10.1073/pnas.0909380107 可免費查閱 （英語）. 
  11. ^ L. M. Adleman. Molecular computation of solutions to combinatorial problems. Science. 1994-11-11, 266 (5187): 1021–1024 [2018-04-02]. ISSN 0036-8075. doi:10.1126/science.7973651. （原始內容存檔於2018-01-31） （英語）.  — 第一篇DNA運算文章.描述分立的 哈密頓路徑問題.參閱: 存档副本 (PDF). [2005-11-21]. （原始內容 (PDF)存檔於2005-02-06）. 
  12. ^ Dan Boneh, Christopher Dunworth, Richard J. Lipton, Jir̆í Sgall. On the computational power of DNA. Discrete Applied Mathematics: 79–94. [2018-04-02]. doi:10.1016/s0166-218x(96)00058-3. （原始內容存檔於2018-06-04）.  — 描述布爾可滿足性問題.參閱: 存档副本 (PDF). [2011-10-14]. （原始內容 (PDF)存檔於2012-04-06）. 
  13. ^ Lila Kari, Greg Gloor, Sheng Yu. Using DNA to solve the Bounded Post Correspondence Problem. Theoretical Computer Science. January 2000, 231 (2): 192–203 [2011-10-22]. （原始內容存檔於2008-04-18）. 參閱: http://www.csd.uwo.ca/~lila/pdfs/Using%20DNA%20to%20solve%20the%20Bounded%20Post%20Correspondence%20Problem.pdf （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  14. ^ M. Ogihara and A. Ray, "Simulating Boolean circuits on a DNA computer" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. Algorithmica 25:239–250, 1999.
  15. ^ "In Just a Few Drops, A Breakthrough in Computing" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, 紐約時報, May 21, 1997
  16. ^ Lovgren, Stefan. Computer Made from DNA and Enzymes. National Geographic. 2003-02-24 [2009-11-26]. （原始內容存檔於2003-02-26）. 
  17. ^ Shu, Jian-Jun; Wang, Q.-W.; Yong, K.-Y. DNA-based computing of strategic assignment problems. Physical Review Letters. 3 May 2011, 106 (18): 188702. Bibcode:2011PhRvL.106r8702S. PMID 21635133. S2CID 25989989. doi:10.1103/PhysRevLett.106.188702. 
  18. ^ Shu, Jian-Jun; Wang, Q.-W.; Yong, K.-Y.; Shao, F.; Lee, K.J. Programmable DNA-mediated multitasking processor. Journal of Physical Chemistry B. 30 April 2015, 119 (17): 5639–5644. Bibcode:2015arXiv150803509S. PMID 25874653. S2CID 10446710. arXiv:1508.03509 可免費查閱. doi:10.1021/acs.jpcb.5b02165. 
  19. ^ Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor, Rivka Adar, Ehud Shapiro. An autonomous molecular computer for logical control of gene expression. Nature. 2004/05, 429 (6990): 423–429 [2018-04-02]. ISSN 1476-4687. doi:10.1038/nature02551. （原始內容存檔於2019-02-15） （英語）.  . Also aviable here: 存档副本 (PDF). [2013-10-23]. （原始內容 (PDF)存檔於2012-04-02）. 
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