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真正的革命性技术——生物计算,或将彻底改变人们的生活方式

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老胡说科学 2021-09-25 01:20
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我把生物计算称为一场革命,就像1765年的工业革命,1870年的第二次工业革命,现代的计算机和互联网的第三次和第四次革命。

影响大众的革命性创新已经好久没有出现了。苹果现在也已经开始挤牙膏:在新发布的手机上安装更多的摄像头以及试图在电子汽车行业与特斯拉竞争,以实现其利润最大化。我们需要真正创新的东西是:生物计算。

为什么不是传统的计算机?

计算机是根据变量程序中的指令,以二进制形式存储和处理数据的电子装置。

传统计算机的常见缺点:

  • 物理限制
  • 固态硬盘的生命周期短
  • 不环保

自发明以来,硅基技术的进步都在遵循摩尔定律,每两年将处理速度和内存容量提高一倍。晶体管正在接近其尺寸的极限。平均固态硬盘的寿命短于10年。计算机中的芯片通常是由硅制成的。硅是通过将二氧化硅(SiO2)与碳加热到2200°C左右的温度而生成。过度开采硅会导致硅晶体在空气中流动,导致人类吸入这种化学物质,使肺部组织受痕,从而削弱肺部从空气中吸取氧气的能力。

生物计算是什么?

首先,生物计算并不是计算生物学。计算生物学是数据科学技术在生物学领域的应用。生物计算机是未来的超级计算机,由生物组件组成,可以执行计算任务,如数据存储和逻辑运算。虽然这一技术仍处于实验的早期阶段,但我们知道,在实践中,它可以执行计算任务。

生物计算一直存在于我们的身体中。

  • DNA储存着人类的核心遗传信息
  • RNA输入数据
  • 核糖体进行逻辑运算
  • 输出是以合成的蛋白质的形式。

目前,生物计算的三个主要领域:

  1. 纳米生物马达:天然/合成的活体材料在平行计算电路中。
  2. DNA计算:从基因组中设计计算系统
  3. 基于DNA的数据存储

让我们来了解一下基本情况。

纳米生物马达:并行计算电路中的天然/合成生物材料 ‍

使用普通计算机,任务是按顺序执行的。同时完成的多个任务实际上是在处理器内的任务之间进行闪电式的切换。为了成倍地提高我们计算机的能力,并行计算是必要的。

瑞典隆德大学发现了一个全新的可行的解决方案。这种生物计算方法使用的能量不到目前电子晶体管使用的能量的1%。

肌球蛋白是将化学能转化为机械能的微小分子马达。瑞典大学开发的生物计算机使用肌球蛋白来引导蛋白丝沿着人工路径前进。

它涉及建立一个基于纳米的通道网络,为蛋白丝提供特定的交通规则。网络中的解对应着一个数学问题的答案,许多分子可以同时通过网络找到它们的路径。

生物计算机系统比量子计算机更容易建造,成本也更低,因为其关键部件大多在自然界中就能找到。

在这种乐观的情况下,它离商业化还有几十年的时间。然而,分子非常便宜,而且我们现在已经证明了生物计算机的可靠性,这使我相信生物计算机在十年内具备了实际使用的先决条件,因为现有的编程算法经过一些优化就可以用于这个系统。

  • 底部的数字代表一个方程的解法

该系统在同一时间内找到了许多解。目前,这个系统看起来有点缓慢和简陋,但这项研究只是一个概念验证,可以预见这是一个可行的量子计算机的替代品。

为什么不把计算机改成实用的、容易制造的、低能量的、低成本的、平行计算的计算机呢?

DNA计算:从基因组设计计算事件

纳米生物分子构建的并行计算是一个可行的方案,但DNA(脱氧核糖核酸)也显示出了计算的巨大潜力。在DNA计算中,硅芯片被DNA链取代。

在DNA链中,即所有生物体的组成部分,信息用A、G、C和T表示,即腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。这些被称为核苷酸或碱基。双螺旋DNA中的一对字母被称为碱基对。

带有算法的DNA计算

在DNA计算中,一个算法的输入被表示为DNA的序列。指令随后由DNA的实验室程序执行,如基因编辑。结果(计算问题的答案)是最终DNA分子的一些属性。

DNA计算最著名的例子是1994年的阿德尔曼实验,按照上述过程,DNA分子被用来解决旅行推销员问题。

阿德尔曼的实验为编程的生化反应提供了可能性。然而,这只是在小范围内,随着问题复杂性的增加,DNA体积也会增加。但最重要的是,DNA用于并行计算的想法得到了验证,生物成分可以同时作用于DNA链,实现并行计算。

自组装和可编程性

DNA链在自组装、结构和行为方面也显示出可编程的前景,就像基于计算机的机器人系统。可编程的生化系统正在开发中,它可以感知周围的环境,根据决策采取行动。话虽如此,这不一定是人工智能。相反,DNA分子根据刺激/相互作用的反应来执行这些功能。

这个领域的一个重大技术是DNA折纸术(DNA Origami ),即单条(1D) DNA链形成2D形状和薄片,然后自我组装成3D框架的能力。

生物芯片,通过自我增殖进行DNA计算

硅晶体管芯片已经达到了它的原子极限,替代方案将是生物计算。DNA序列是 "生物芯片 "的基石,显示出了它们取代硅芯片的巨大潜力。数以百万计的DNA链以迭代的方式繁殖自己的数量来进行计算。有了生物芯片,与阿德尔曼的实验相反,DNA通过自我繁殖而不是在实验室内的编辑进行计算。

想一下九头蛇,当你砍掉它们的一个头,又会长出两个。同样的道理,这些基因序列会随着更多计算的进行而扩大。因此,DNA计算机在解决计算问题和任务时也会扩张。总之,DNA具有开创小规模和有效计算的潜力。

基于DNA的数据存储

在我看来,在谈到生物计算时,这是精华中的精华,因为它潜在的巨大影响。

技术处于社会的最前沿,无论是在教育、财务、娱乐还是医疗方面,每天的数据量都在成倍增长。随着80%以上的人拥有智能手机,我们在迅速产生和创造数据。这一问题的关键问题在于,我们没有足够的存储空间。

事实上,保守估计,到2025年,数据存储系统将只能存储我们产生数据的一半。生产更多的硬盘和扩大云服务,在经济上和可行性上都不是解决问题的最佳方案。理想情况下,数据需要在极小的范围内密集地存储。

自然已经在所有可能的方式中选择了将生物体的遗传信息存储在DNA中。如果DNA已经以核苷酸的形式在生物体内存储数据.而且非常小,还有什么比这更好的方法呢?

DNA非常小,非常稳定,而且永远不会被淘汰,它们从生命之初就已经存在了。

一个核苷酸可以包含四个值,所以它们类似于两个二进制位:

  • A -> 01
  • G -> 10
  • C -> 00
  • T -> 11

一个典型的人类细胞有60亿个碱基对,以双螺旋的形式排列在染色体中。科学家们估计,一个细胞中的DNA可以编码1.6千兆字节,整个人体中可扩展到10兆字节。100泽字节比人类在整个时代所产生的数据的总和还要多。

科学家们估计,在最理想的条件下,DNA理论上最多可以存活一百万年。难怪考古学家可以仅仅从恐龙的DNA结构中就能恢复恐龙的形态。

这意味着,通过利用DNA--我们可以在 "历史上 "很长的时间内存储世界上产生的所有数据,并且体积只有鞋盒的大小。

数字DNA数据存储是一个6步的过程

  1. 编码(Encoding):需要存储在DNA序列上的二进制数据被转换为核苷酸值。
  2. 合成(Synthesis):我们的编码DNA序列实际上是通过合成生物学/基因工程设计和制作的
  3. 储存(Storage):编码后的DNA被储存起来供以后使用
  4. 检索(Retrieval):当需要时,DNA被检索出来
  5. 测序(Sequencing):对DNA进行测序或 "读取",读取和写入分子的核苷酸序列
  6. 解码(Decoding):被测序的DNA(A、G、C和T的列表)被转换回二进制,可由经典计算机读取。

数据存储的过程确实很复杂,但随着测序和合成技术的不断改进,这个过程最终会变得更加简单。最重要的是,DNA的优势是明确的:

  • 高存储密度
  • 可以是3D的,而不是2D的磁盘或芯片
  • 在需要维护之前可以持续几个世纪的时间
  • 巨大的需求和经济影响

据估计,对DNA的编码和解码,每千兆字节的存储数据的材料成本不到几分钱。与平均每GB 3美元的USB成本相比,优势是显而易见的。

这就是生物计算

用生物材料制成的计算机的未来离我们越来越近了。生物计算可能会产生潜在的影响。脑机接口(BCI),真正将基于分子的计算机与我们的大脑连接起来;意识,过着超越你的物理身体的生活;人工智能,将人工智能纳入真正的生物体中。

相对于笨重的经典超级计算机和量子计算机(非常不稳定),对外部环境要求极高,生物存储技术可以在鞋盒的大小的空间存储整个世界产生的数据。这一革命性的领域具有真正的经济潜力,可以真正改变人们的生活方式。

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