40、生物计算：原理、方法与前景

生物计算：原理、方法与前景

1. 基于生物代理的计算

在生物计算领域，利用生物“代理”的定向/有组织运动直接进行基于代理的计算，能够解决诸多问题。这些生物代理通常是自我推进的可移动生物元素，例如在肌球蛋白覆盖表面上移动的肌动蛋白丝或细菌。它们借助分子马达（如鞭毛等）实现推进。与DNA计算一样，可移动生物分子是生物计算中唯一被证明能够执行等同于图灵机计算的形式，并且这一领域近期受到了较多的研究关注。

1.1 分子马达

蛋白质马达是能够直接将化学能转化为机械能的机器。某些利用肌动蛋白丝和微管的马达系统，可用于制造生物传感机器、纳米机械机器以及信息存储和处理设备。分子马达是近期生物计算机设计在底层运行的基础，因为细菌或变形虫等需要移动；而且仅马达机制本身就可用于展示计算能力，包括解决“困难”的计算问题。

1.2 受限结构中生物运动的应用

在自然界中，许多生物依靠探索行为来生存。例如，Perumal及其同事的研究表明，大肠杆菌K12 - wt能够运用复杂而高效的算法来探索迷宫的搜索空间。这些细菌展示了使用沿墙算法（通常称为左手规则）有效探索迷宫的能力，这表明像细菌这样的代理可用于通常与人类或动物（如老鼠）相关的计算任务。除细菌外，其他生物代理也适用于解决空间问题。此外，像迷宫这样的问题可以重新表述为图，这与HPP问题类似，在顺序电子计算机上难以或无法可扩展地解决，但可以通过大规模并行系统高效、迅速地解决。

Nicolau等人展示了利用分子马达作为独立代理并行探索并最终解决子集和问题（SSP）实例的方法。而早在DNA计算之前，Hameroff和Rasmussen就展示了微管如何在神经元结构中用于信息处理。几十年后，Prie