生物芯片

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现在科学家们已经研制出了生物计算机的核心部件,即生物芯片。比如合成蛋白质芯片、血红素芯片,赖氨酸芯片等。生物芯片又称基因芯片,或DNA芯片,其基本结构大致是:生物芯片的基质一般是经过处理后的玻璃片,每个芯片的基质面上都可划分出数百甚至数百万个小区,在指定的小区内可固定大量具有特定功能、长约20个碱基组成的核酸分子,也叫分子探针。

由于被固定的分子探针在基质上形成不同的探针阵列,所以利用分子交错及平行处理原理,DNA芯片可以对遗传物质进行分子检测。因此,生物芯片可用于研究基因功能、法医、疾病检测、药物筛选等。而目前这一技术所派生出来的蛋白质芯片则是生物计算机的基本结构单元,如图1所示:

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图1 生物芯片

在整个生物界大约存在着100亿种不同的蛋白质,但能满足生物芯片制作要求的蛋白质材料则不多。因此,生物学家除了直接利用自然界提供的不同类型蛋白质来制造生物芯片外,还要研究适合于生物计算机装配所需的人工合成蛋白质。20世纪80年代以来,分子生物学家和有机化学家已经共同研究合成了几种人造蛋白质。这些人造蛋白质在导电性能方面有导体和半导体的作用,因此分别被称作生物导体和生物半导体。据有关报道,美国已经合成了生物半导体材料(OH)x和生物导体材料(SN)x。这为人工制造用于生物计算机的实用化生物芯片创造了条件。

特点

生物计算机的特点集中在生物芯片上,因此它具有以下几个主要特点。

强大的记忆功能

由于生物芯片的一个存储点只有一个分子的大小,所以具有无数个存储点的整个生物芯片其记忆功能是十分强大的。有资料显示,生物计算机的记忆功能将是传统计算机的上亿倍。

运算速度快

由于生物芯片具有快速处理信息的能力,所以生物计算机的运算速度相当快。有报道称,它将是传统计算机运算速度的10万倍。

能耗低

因为一个蛋白质分子就可作为一个存储体,且蛋白质是有机物,其阻抗很低,故能耗很小,能较好地解决散热问题。有资料显示,生物计算机的能耗仅相当于传统计算机的十分之一。这就可以摆脱传统半导体芯片散热难的困扰,从而克服了长期以来硅集成电路制作工艺复杂、能耗大等弊端。

具有自愈特性

生物芯片是有机物,能发挥生物本身的调节机能,自动修复芯片发生的故障,因而将成为一种半永久性的器件,所以生物计算机具有自愈特性。

具有模仿人脑的思考机制

因为生物芯片具有生物活性,因而可与人体的组织有机地结合在一起,特别是能够与大脑的神经系统相连,使人的有机体与生物芯片器件的接口自然吻合。这样,生物计算机就可直接受人脑的指挥,成为人脑的辅助装置或扩充部分,并能由人体细胞吸收营养补充能量,不需外接能源。

具有超高密度

这是因为蛋白质分子比硅芯片的电子元件小得多,其直径大约是20nm,所以用它做成的芯片每平方毫米就可以装上十亿个门电路。如果把这些生物分子相互重叠连接,就可以得到每立方毫米含有上百亿个门电路的立体生物芯片。