(57)【要約】  本発明は、一般に、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサについて扱う。本発明の一実施形態例では、受光器を有するＤＮＡ格子(lattice or grid)がマイクロプロセッサを形成し、一連の論理ゲートの機能を実行するように構成される。光信号を格子上に照射することによって、入力信号がＤＮＡ格子に供給される。格子は、この格子上に配置された一連の論理ゲートの機能を実行する。一方、この格子は、増強光出力信号を供給する。増強光出力信号は、デコードされてＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサによる処理を表す。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサであって、
格子状アセンブリに互いに対して配列されたまたは互いに接合された複数のＤＮＡ−トランジスタを含み、
前記複数のＤＮＡ−トランジスタの各々が、特定のアミノ酸シーケンスに構成されることによって論理ゲートを複製する複数のＤＮＡ−分子を含み、
前記格子状アセンブリが、パルス状電磁波の入力信号を受信するように構成され、
前記入力信号が第１変調データ信号を含み、
前記格子状アセンブリが、前記第１変調データ信号の吸収に続いて、第２変調データ信号を含む電磁波の出力信号を放出するように構成され、
前記第２変調データ信号が、前記複数のＤＮＡ−分子によって実行される計算動作に基づく、前記第１変調データ信号の増強である、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項２】
請求項１に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記第１変調データ信号を含む入力信号が、四進数系に基づく、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項３】
請求項１に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記第１変調データ信号を含む入力信号が、二進数系に基づく、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項４】
請求項１に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記第１変調データ信号を含む入力信号が、前記ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサに入力される前に、二進信号から四進数系に変換される、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項５】
請求項１に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記論理ゲートまたはＤＮＡ−トランジスタが、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＸＯＲ、またはＸＮＯＲを含む１つ以上のトランジスタ・タイプの組み合わせを含む、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項６】
請求項１に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記入力信号が、１つよりも多いパルス状電磁波を含む、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項７】
請求項６に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記出力信号が、１つよりも多い電磁波を含む、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項８】
請求項６に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記１つよりも多いパルス状電磁波が、１つよりも多い異なる周波数を含む、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項９】
請求項８に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記１つよりも多い異なる周波数が、前記ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサが多数のデータ・シーケンスを同時に処理することを可能にする、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項１０】
ＤＮＡ−ベース・トランジスタであって、
特定のアミノ酸シーケンスに構成されることによって論理ゲートを複製した複数のＤＮＡ−分子を含み、
前記ＤＮＡ−ベース・トランジスタが、パルス状電磁波の入力信号を受信するように構成され、
前記ＤＮＡ−ベース・トランジスタが、前記入力信号に対して、出力信号を生成する計算動作を実行するように構成され、
前記ＤＮＡ−ベース・トランジスタが、前記出力信号を、増強パルス状電磁波として放出するように構成される、ＤＮＡ−ベース・トランジスタ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のＤＮＡ−ベース・トランジスタにおいて、前記入力信号が、四進数系または二進数系に基づく、ＤＮＡ−ベース・トランジスタ。
【請求項１２】
請求項１０に記載のＤＮＡ−ベース・トランジスタにおいて、前記入力信号が、前記ＤＮＡ−ベース・トランジスタに入力される前に四進数系に変換される二進信号を含む、ＤＮＡ−ベース・トランジスタ。
【請求項１３】
請求項１０に記載のＤＮＡ−ベース・トランジスタにおいて、前記ＤＮＡ−ベース・トランジスタが、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＸＯＲ、またはＸＮＯＲを含む１つ以上のトランジスタ・タイプの組み合わせを含む、ＤＮＡ−ベース・トランジスタ。
【請求項１４】
請求項１０に記載のＤＮＡ−ベース・トランジスタにおいて、前記入力信号が、複数のパルス状電磁波を含むか、または前記出力信号が、複数の増強パルス状電磁波を含む、ＤＮＡ−ベース・トランジスタ。
【請求項１５】
請求項１０に記載のＤＮＡ−ベース・トランジスタにおいて、前記入力信号が、少なくとも２つの異なる周波数を含む１つよりも多いパルス状電磁波を含むことによって、前記ＤＮＡ−ベース・トランジスタが多数のデータ・シーケンスを同時に処理することを可能にする、ＤＮＡ−ベース・トランジスタ。
【請求項１６】
ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサであって、
格子状アセンブリに互いに対して配列されたまたは互いに接合された複数酵素トランジスタを含み、
前記複数の酵素トランジスタの各々が、特定のアミノ酸シーケンスに構成されることによって論理ゲートを複製する複数の制限酵素を含み、
前記格子状アセンブリが、パルス状電磁波の入力信号を受信するように構成され、
前記入力信号が、第１変調データ信号を含み、
前記格子状アセンブリが、前記第１変調データ信号の吸収の後、第２変調データ信号を含む電磁波の出力信号を放出するように構成され、
前記第２変調データ信号が、前記複数の制限酵素によって実行される計算動作に基づく、前記第１変調データ信号の増強である、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項１７】
請求項１６に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記入力信号が、四進数系または二進数系に基づく、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項１８】
請求項１６に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記入力信号が、前記ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサに入力される前に四進数系に変換される二進信号を含む、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項１９】
請求項１６に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記ＤＮＡ−トランジスタが、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＸＯＲ、またはＸＮＯＲを含む１つ以上のトランジスタ・タイプの組み合わせを含む、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項２０】
請求項１６に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記入力信号が、少なくとも２つの異なる周波数を含む１つよりも多いパルス状電磁波を含むことにより、前記ＤＮＡ−ベース・トランジスタが多数のデータ・シーケンスを同時に処理することを可能にする、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願に対する相互引用
[0001]  本願は、２０１２年３月２８日に出願された仮特許出願第６１／６１７，０２６号、および２０１３年３月２５日に出願された通常特許出願第１３／８５０，１７７号に対する優先権を主張する。これらの特許出願をここで引用したことにより、それらの内容全てが本願にも含まれるものとする。
【０００２】
[0002]  本発明は、一般的には、マイクロプロセッサならびにそのコンポーネントおよび構成物(constituents)に関する。更に特定すれば、本発明は、光信号またはＤＮＡ−ヌクレオチド螺旋(DNA-nucleotide strands)の形態で入力を受けることによってアクティブ化されるＤＮＡにおいて動作するプロセッサに関する。
【従来技術】
【０００３】
[0003]  中央演算装置（ＣＰＵ）は、コンピュータ・プログラムの命令を実行して、システムの基本的な算術、論理、および入力／出力動作を実行するためのコンピュータ・システムの一部である。ＣＰＵは、コンピュータにおいて、脳にいくらか類似した役割を果たす。ＣＰＵの形態、設計、および実施態様は、最早期の例以来劇的に変化してきたが、その基本的な動作は全く同じままである。
【０００４】
[0004]  大型機では、ＣＰＵは１枚以上のプリント回路基板を必要とする。パーソナル・コンピュータおよび小型ワークステーションでは、ＣＰＵは、マイクロプロセッサと呼ばれる１つのシリコン・チップ内に収容される。１９７０年代以来、マイクロプロセッサ・クラスのＣＰＵが、他の全てのＣＰＵ実施態様をほぼ完全に追い越した。最近のＣＰＵは、通例４平方センチメートル未満で数百本もの接続ピンを有するパッケージに入った大規模集積回路になっている。
【０００５】
[0005]  ＣＰＵの２つの典型的なコンポーネントに、算術演算および論理演算を実行する算術論理ユニット（ＡＬＵ）と、命令をメモリから抽出し、必要な時にＡＬＵを呼び出してこれらをデコードし実行する制御ユニット（ＣＵ）とがある。
【０００６】
[0006]  初期のＣＰＵは、もっと大きな、場合によっては他にはない、コンピュータの一部としてカスタム設計された。しかしながら、特定の用途のためにカスタムＣＰＵを設計するこの方法は、大量生産される標準化されたプロセッサの開発にほぼ敗れ去った。この標準化は、ディスクリート・トランジスタ・メインフレームおよびミニコンピュータの時代に始まり、集積回路（ＩＣ）の普及と共に急速に加速した。ＩＣは、増々複雑なＣＰＵを、ナノメートル単位の許容度で、設計および製造することを可能にした。ＣＰＵの微細化および標準化は、双方共、専用計算機械の限定された用途を遙かに超えて、近年の生活におけるディジタル・デバイスの存在を増加させた。近年のマイクロプロセッサは、自動車からセル・フォンおよび子供の玩具まであらゆるものに見られる。
【０００７】
[0007]  種々の技術が、増々小型化され信頼性を高めた電子デバイスの構築を容易にしたので、ＣＰＵ設計の複雑さは高まった。最初のこのような改良は、トランジスタの出現と共にもたらされた。１９５０年代および１９６０年代におけるトランジスタ型ＣＰＵは、真空管や電気リレーのような、嵩張り、信頼性がなく、脆いスイッチング・エレメントで構築される必要がもはやなくなった。この改良によって、一層複雑で信頼性の高いＣＰＵが、ディスクリート（個別）コンポーネントを含む、１枚または数枚のプリント回路基板上に構築された。
【０００８】
[0008]  この期間の間に、多くのトランジスタを密集空間に製造する方法が普及した。集積回路（ＩＣ）は、多数のトランジスタを１つの半導体ベースのダイ、即ち、「チップ」上に製造することを可能にした。最初は、ＮＯＲゲートのような、非常に基本的な特殊でないディジタル回路が微細化されてＩＣとなった。これらの「構築ブロック」ＩＣに基づくＣＰＵは、一般に、「小規模集積」（ＳＳＩ）デバイスと呼ばれる。アポロ誘導コンピュータにおいて使用されたような、ＳＳＩ  ＩＣは、通常、数十個までのトランジスタを内蔵した。ＣＰＵ全体をＳＳＩ  ＩＣで構築するためには、数千個もの個々のチップが必要であったが、それでもなお、初期のディスクリート・トランジスタ設計よりも、消費空間および電力は遙かに少なかった。微細電子技術が発展するに連れて、増々多くのトランジスタがＩＣ上に配置され、完全なＣＰＵに必要とされる個々のＩＣの個数が減少した。ＭＳＩおよびＬＳＩ（中規模および大規模集積）ＩＣは、トランジスタの個数を、百個単位に、そして千個単位に増大させた。
【０００９】
[0009]  過去６０年にわたってＣＰＵの複雑さ、サイズ、構造、および全体的な形状は著しく変化したが、基本的な設計および機能は全く変わっていないことは特筆すべきである。集積回路トランジスタ技術の限界、およびコンピュータ・チップの基礎としてのシリコンの使用に関して、懸念が生じた。電子ゲートの過度な微細化のために、エレクトロマイグレーション、加熱、およびサブスレッショルド漏れ(subthreshold leakage)というような現象の影響が遙かに増々重大になりつつある。コンピュータ・チップの開発者は、シリコンが、コンピュータ・チップの製造のための主要な材料として、その限界に達しつつあることを心配している。これら新しい方の懸念は、研究者に、量子コンピュータのような新たな計算方法を調査させ、更に古典的なフォン・ノイマン・モデルの有用性を拡大する平行処理(parallelism)および他の方法の使用を広げさせる多くの要因に含まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
[0010]  したがって、シリコン・ベースのトランジスタ・チップを、それよりも小型で、更に複雑なタスクを扱うことができ、更に速く動作する新たなマイクロプロセッサと置き換える必要がある。本発明は、これらの必要性を満たし、更に他の関係する利点も提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
[0011]  本発明の一実施形態例は、格子状アセンブリに互いに配列されたまたは互いに接合された複数のＤＮＡ−トランジスタを有するＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサを含む。複数のＤＮＡ−トランジスタの各々は、特定のアミノ酸シーケンスに構成されることによって、論理ゲートを複製する複数のＤＮＡ−分子で構成される。格子状アセンブリは、パルス状電磁波の入力信号を受信するように構成される。入力信号は、第１変調データ信号を含む。格子状アセンブリは、第１変調データ信号の吸収に続いて、第２変調データ信号を含む電磁波の出力信号を放出するように構成される。第２変調データ信号は、複数のＤＮＡ−分子によって実行される計算動作に基づく、第１変調データ信号の増強である。
【００１２】
[0012]  他の実施形態例では、第１変調データ信号の入力信号が、四進数系に基づくのでもよい。または、第１変調データ信号の入力信号が、二進数系に基づくのでもよい。あるいは、第１変調データ信号の入力信号が、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサに入力される前に二進信号から四進数系に変換されるのでもよい。
【００１３】
[0013]  論理ゲートまたはＤＮＡ−トランジスタは、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＸＯＲ、またはＸＮＯＲを含む１つ以上のトランジスタ・タイプの組み合わせを含むことができる。
【００１４】
[0014]  入力信号は、１つよりも多い電磁波を含んでもよい。出力信号は、１つよりも多い電磁波を含んでもよい。１つよりも多い電磁波は、１つよりも多い異なる周波数を含むのでもよい。１つの異なる周波数は、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサが多数のデータ・シーケンスを同時に処理することを可能にすればよい。
【００１５】
[0015]  本発明の他の実施形態例は、特定のアミノ酸シーケンスに構成されることによって論理ゲートを複製した複数のＤＮＡ−分子を有するＤＮＡ−ベース・トランジスタを含む。ＤＮＡ−ベース・トランジスタは、パルス状電磁波の入力信号を受信するように構成される。ＤＮＡ−ベース・トランジスタは、入力信号に対して、出力信号を生成する計算動作を実行するように構成される。ＤＮＡ−ベース・トランジスタは、出力信号を、増強パルス状電磁波として放出するように構成される。
【００１６】
[0016]  他の実施形態例では、入力信号は、四進数系または二進数系に基づくのでもよい。入力信号は、ＤＮＡ−ベース・トランジスタに入力される前に、四進数系に変換される二進信号を含むのでもよい。
【００１７】
[0017]  ＤＮＡ−トランジスタは、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＸＯＲ、またはＸＮＯＲを含む１つ以上のトランジスタ・タイプの組み合わせを含むことができる。
【００１８】
[0018]  入力信号は、複数のパルス状電磁波を含むことができ、または出力信号は、複数の増強パルス状電磁波を含む。
【００１９】
[0019]  入力信号は、少なくとも２つの異なる周波数を含む１つよりも多いパルス状電磁波を含んでもよく、これによって、ＤＮＡ−ベース・トランジスタが多数のデータ・シーケンスを同時に処理することを可能にする。
【００２０】
[0020]  本発明の他の実施形態例は、格子状アセンブリに互いに対して配列されたまたは互いに接合された複数酵素トランジスタを含むＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサを含む。複数の酵素トランジスタの各々は、特定のアミノ酸シーケンスに構成されることによって論理ゲートを複製する複数の制限酵素を含む。格子状アセンブリは、パルス状電磁波の入力信号を受信するように構成される。入力信号は、第１変調データ信号を含む。格子状アセンブリは、第１変調データ信号の吸収の後、第２変調データ信号を含む電磁波の出力信号を放出するように構成される。第２変調データ信号は、複数の制限酵素によって実行される計算動作に基づく、第１変調データ信号の増強である。
【００２１】
[0021]  他の実施形態例では、入力信号は、四進数系または二進数系に基づく。入力信号は、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサに入力される前に四進数系に変換される二進信号を含むのでもよい。
【００２２】
[0022]  ＤＮＡ−トランジスタは、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＸＯＲ、またはＸＮＯＲを含む１つ以上のトランジスタ・タイプの組み合わせを含むことができる。
【００２３】
[0023]  入力信号は、少なくとも２つの異なる周波数を含む１つよりも多いパルス状電磁波を含んでもよく、これによって、ＤＮＡ−ベース・トランジスタが多数のデータ・シーケンスを同時に処理することを可能にする。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
[0024]  集積回路またはモノリシック集積回路（ＩＣ、チップ、またはマイクロチップとも呼ばれる）は、トレース・エレメントをパターン化して半導体材料の薄い基板の表面内に拡散させることによって製造される電子回路である。半導体デバイス間に相互接続を形成するために、追加の材料が堆積され、パターン化される。集積回路は、今日事実上全ての電子機器に使用され、電子機器の世界に革命をもたらせた。コンピュータ、移動体電話機、およびその他のディジタル・アプライアンスは、集積回路の低コスト生産によって可能になった近年の社会構造において今や切っても切れない部分である。
【００２５】
[0025]  本発明は、先行技術のシリコン・ベースのマイクロチップ技術と比較して、マイクロプロセッサの基礎としてＤＮＡを使用する。当技術分野では周知のように、ＤＮＡヌクレオチドのある種の構成は、従前の論理ゲート（ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＸＯＲ、およびＸＮＯＲ）の内１つ以上に類似した機能を実行する。これらの論理ゲートをＤＮＡで構成したとき、ＤＮＡ−トランジスタおよび／または酵素トランジスタと呼ぶことができる。
【００２６】
[0026]  ＤＮＡは、個々の分子の格子への機械配置（machine placement)によって構成することができる。ＤＮＡは、同様に、顕微鏡または当技術分野において周知の他の方法を使用する移動によって構成することもできる。本発明の一実施形態例では、ＤＮＡ分子は、格子形状構造または格子状アセンブリに構成される。ＤＮＡは無数の他の構造形状に構成することができると仮定する。多数のＤＮＡ−トランジスタを互いに関して配列し、または互いに接合して、格子または格子状アセンブリを形成することができる。
【００２７】
[0027]  一実施形態例では、マイクロプロセッサを形成するためにトランジスタが組み合わせられるやり方と同様に論理ゲートを組み合わせるために、個々のＤＮＡ−ベース論理ゲートが格子に構成される。
【００２８】
[0028]  ＤＮＡは、先行技術のシリコン・ベースのマイクロチップ技術に対して無数の利点を提供し、先に注記したシリコンの欠点の多くに取り組む。ＤＮＡは、シリコン・ベースのコンピュータ技術よりも小型で高速である。１００億個のＤＮＡ分子を１立方センチメートル未満のエリアに収容することができる。シリコン・ベース計算と比較すると、ＤＮＡは、豊富であり、無害で、しかも安い。電気を使用することによって情報を処理するシリコン・プロセッサを使用する代わりに、ＤＮＡ分子は、光、ＤＮＡ−螺旋、または他の形態の入力／出力によって伝えられる信号を処理することができる。ＤＮＡは光受容体と混合され、感光性にすることができる。このように、電気の代わりに光を伝える論理ゲートは、遙かに高速に動作する。
【００２９】
[0029]  本発明のある種の実施形態では、入力信号は、１つよりも多い電磁波を含むことができる。このような場合、多数の電磁波を同時に処理することができ（量子計算と同様に）、一層効率的な計算が達成される。このような多数の電磁波は、種々のＤＮＡシーケンスの可変エネルギ・レベルを制御することができる。
【００３０】
[0030]  本発明のＤＮＡベース・プロセッサが動作する態様は、従前のコンピュータ・プロセッサとは異なる。オンおよびオフまたは０および１という２つの状態だけを有する従前のコンピュータ・プロセッサとは異なり、本発明は、４つの異なる状態を表すためにＤＮＡヌクレオチドを使用する。４つの状態とは、Ａ、Ｔ、Ｃ、Ｇであり、各ヌクレオチド、Ａ＝アデニン、Ｔ＝チミン、Ｃ＝シトシン、およびＧ＝グアニンの頭文字と相関がある。このような４状態システムは、一般に四進数系(quaternary numeral system)と呼ばれる。ＤＮＡ−処理されたマイクロプロセッサは、二進数系(binary numeral system)および当技術分野において周知の他の系とでも同様に使用することができる。ある種の実施形態では、二進信号は、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサに入力される前に、四進数系に変換される。
【００３１】
[0031]  データ・ストリングが処理されるために操作者によってコンピュータに入力されると、従前では、マシン・コードに変換される。マシン・コードは二進数としても知られる。以上で注記した二進数は、標準的なマシン・コードであり、０および１で構成される。
【００３２】
[0032]  本発明の一実施形態例では、二進数の代わりに、ＤＮＡ−ベース・プロセッサによって処理されるマシン・コードはＡＴＣＧである。以下の手順にしたがって、Ａ、Ｔ、Ｃ、およびＧのシーケンスが処理される。最初に、操作者がデータ・ストリングをコンピュータに入力する。このコンピュータは、データ・ストリングをＡＴＣＧコンピュータ・コードに変換する。このＡＴＣＧは、光パルスに変換され、紫外線光が、マシン・コードのシーケンスを相関付けるある種のパターンで閃光する。マシン・コードは、ここから、Ａ、Ｔ、Ｃ、およびＧのシーケンスになる。この光パルスは、ＤＮＡプロセッサ格子上に伝えられる。
【００３３】
[0033]  格子上における第１論理ゲート、即ち、ＤＮＡ−トランジスタは、光エネルギを吸収し、変更光信号を放出する。この光信号は、格子に含まれる論理ゲート即ちＤＮＡトランジスタの全てによって吸収され、そして再度放出される。変更光信号は、格子上にある最後の論理ゲートによって放出される。放出された光信号は、光センサによって受光され、光センサからの信号はコンピュータによってデコードされる。コンピュータは、出力機械(output machine)を、データ・ストリング入力に対する解(solution)に変換する。放出光信号または出力信号は、入力信号に対してＤＮＡ−トランジスタによって行われた計算動作に基づいて、入力信号の変調データ信号の増大(augmentation)を構成する。
【００３４】
[0034]  本発明の他の実施形態例では、ＤＮＡの螺旋上に変調された信号を使用して、入力および出力が行われる。このような実施形態では、最初に、操作者がデータ・ストリングを入力する。次に、コンピュータがこのデータ・ストリングをＡＴＧＣコードに変換する。このＡＴＣＧコードは、ＤＮＡ螺旋に合成される。合成されたＤＡＮ螺旋は、ＤＮＡ−プロセッサ格子と結合される(mate)。格子上の第１論理ゲートは、ＤＮＡ螺旋と結合し、ＰＣＲ増幅を実行する。ＰＣＲ増幅が行われるまで、ＤＡＮ螺旋は、選択的に、各論理ゲートを通過する。変更ＤＮＡ螺旋は、格子上の最後の論理ゲートによって排出される(discharge)。排出されたＤＮＡ螺旋は、ＤＮＡシーケンス・センサによって受け取られる。ＤＮＡシーケンス・センサからの信号は、コンピュータによってデコードされる。コンピュータは、出力機械コードを、データ・ストリング入力に対する解に変換する。
【００３５】
[0035]  ２つの状態の代わりに４つの状態があるので、計算は遙かに速いレートで行われる。これによって、コンピュータは、線形であるシリコン・マイクロチップの動作方法ではなく、並列である人間の脳のように、一層多く動作することができる。このＤＮＡベース・マイクロプロセッサにおいて実行するコンピュータは、同様に動作する。殆どの人間は同時に多数のタスクを実行することができ（即ち、同時にガムを噛みながら自転車に乗る）、我々のように、ＤＮＡコンピュータも同時に多数のタスクを実行することができる。したがって、同じチップにおいて同時に多数の項目を計算し処理することができる。
【００３６】
[0036]  論理ゲートは、ブール関数を実現する理想化された(idealized)または物理的なデバイスである。即ち、これは、１つ以上の論理入力に対して論理動作を実行し、１つの論理出力を生成する。論理ゲートは、主に、電子スイッチとして機能するダイオードまたはトランジスタを使用して実現されるが、電磁リレー（リレー・ロジック）、流体ロジック、空力ロジック(pneumatic logic)、光学素子、分子、または機械要素を使用しても、構成することができる。
【００３７】
[0037]  増幅によって、ブール関数を構成できるのと同じ方法で、論理ゲートを縦続接続することができ、ブール・ロジックの全ての物理モデルの組み立て(construction)が可能になり、したがって、ブール・ロジックで記述することができるアルゴリズムおよび数学の全てが可能になる。
【００３８】
[0038]  論理ゲートには、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＸＯＲ、およびＸＮＯＲの７種類がある。機能的に完全な論理システムを構築するために、リレー、バルブ（真空管）、またはトランジスタを使用することができる。バイポーラ・トランジスタを使用する最も簡単な論理ゲートのファミリーは、抵抗−トランジスタ・ロジック（ＲＴＬ）と呼ばれる。ダイオード論理ゲートとは異なり、ＲＴＬゲートは、一層複雑な論理機能を生成するために、無限に(indefinitely)縦続接続することができる。これらのゲートは、初期の集積回路に使用されていた。高速化を求めて、ＲＴＬにおいて使用されていた抵抗器がダイオードに置き換えられ、ダイオード−トランジスタ・ロジック（ＤＴＬ）になった。次いで、１つのトランジスタは２つのダイオードの作用(job)を遙かに素早く、しかも半分の空間しか使用せずに行うことができるという観察によって、トランジスタ−トランジスタ・ロジック（ＴＴＬ）がＤＴＬに取って代わった。ディジタル・システムの事実上あらゆるタイプの相補型チップの実施態様において、更に一層の小型化および電力消費削減のために、バイポーラ・トランジスタは、相補型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）に置き換えられ、これによって相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）ロジックが得られた。
【００３９】
[0039]  本発明は、ＤＮＡマイクロプロセッサを形成するＤＮＡ格子を含む。ＤＮＡマイクロプロセッサは、一連のＤＮＡ分子を個々に隣り合わせて配置して格子状構造を形成することによって構成される。ＤＮＡは、電子顕微鏡を用いて手作業で配置することができる。生産において、格子は、ロボットの補助によって、大量に生産される。格子の個々のコンポーネントは、ＤＮＡ論理ゲートである。ＤＮＡ論理ゲートは、ＤＮＡヌクレオチドのシーケンスであり、トランジスタと同様にブール関数を実行する。
【００４０】
[0040]  ＤＮＡ格子の各ＤＮＡは、ヌクレオチドの組み合わせで構成される。本発明の一実施形態例では、ＤＮＡ分子は６つのヌクレオチドで構成される。例えば、６つのヌクレオチドの組み合わせは、アデノシン、チミン、シトシン、グアニン、アデノシン、およびチミン（ＡＴＣＧＡＴ）を含むことができる。一実施形態例では、各ＤＮＡ分子が６つのヌクレオチドの組み合わせになっているが、可変の組み合わせおよびサイズのＤＮＡも、当業者によって考案することができよう。
【００４１】
[0041]  光信号をＤＮＡ格子に伝えるために、コンピュータは微小発光ダイオード（ＬＥＤ）を制御する。ＬＥＤは、特定波長の光をＤＮＡ格子に放出する。本発明の一実施形態例では、ＬＥＤの波長は紫外線の範囲内である。
【００４２】
[0042]  ＬＥＤは、ＤＮＡ格子にコード化メッセージを伝えるために、コンピュータによって、オンおよびオフのパルスを発生するように制御することができる。尚、光パルス信号がＤＮＡ格子のＤＮＡ分子の内１つに当たったとき、ＤＮＡはこの光パルス信号を受信し、次いでその信号を隣接するＤＮＡ分子に再放出すると仮定する。隣接するＤＮＡ分子がこの光を受光すると、そのＤＮＡ分子もこの光を再放出する。これは、ＤＮＡ格子の最も近い角に光が渡されるまで行われる。次いで、光はＤＮＡ格子の角からセンサに再放出される。このセンサもコンピュータ制御される。
【００４３】
[0043]  このセンサは、ＤＮＡ格子からの出力送信を受信し、光信号出力に応じてＡＴＣＧのシーケンスをデコードするようにプログラミングされた光感応センサである。このセンサは、格子構造から来る光の波長を登録する。格子構造から来る光の波長は、ＬＥＤによって送られる光の波長とは異なる。この波長の差は、格子構造の機能性およびその計算能力に対応する。
【００４４】
[0044]  以上で詳細に説明したように、情報をコード化し、パルス状光信号としてＤＮＡ格子構造に送ることができる。変化した光信号は、ＤＮＡ格子構造によって抜き取られる(omit)。抜き取られた信号は、その波長およびその他のプロパティが受け取られデコードされる。
【００４５】
[0045]  例えば、一実施形態例では、数学問題（５＋５というような）を、入力パルス状光信号上にコード化することもできる。このパルス状光信号は、ＤＮＡ格子構造の一部に照射される。ＤＮＡ格子構造は、マイクロプロセッサ・チップに類似したやり方で、一連の論理ゲートの機能を実行するように構成される。入力光信号が受光された後、ＤＮＡ格子構造は、マイクロプロセッサが二進コード化数学問題を扱うのと同様に、ＤＮＡ−ベース論理ゲートによって、光信号上にコード化された数学問題を処理する。次いで、ＤＮＡ格子構造は、増強光信号を出力として放出する。この出力光信号は受信され、数学問題に対する答え、例えば、１０を得るために、デコードすることができる。
【００４６】
[0046]  尚、以上の５＋５の例は、単純な数学的機能を例示する目的のためにのみ紹介されたことは、認められてしかるべきである。先に注記したように、増幅によって、ブール関数を構成できるのと同じ方法で、論理ゲートを縦続接続することができ、ブール・ロジックの物理モデルの組み立てが可能になり、したがって、ブール・ロジックで記述することができるアルゴリズムおよび数学の全てが可能になる。
【００４７】
[0047]  光は、シリコンに沿って移動する電子よりも速い。更に、ＤＮＡの格子は、シリコン・ベース・チップができるよりも多くの処理を小さな面積に効果的に詰め込むことができる。このため、当業者は認めることができるように、以上の例は、精巧な数学および計算機能を実行するために、規模を著しく拡大することもできる。
【００４８】
[0048]  本発明の一実施形態は、非二進形態でＤＮＡ計算を可能にすることによって、先行技術のプロセッサよりも大幅に進歩する。二進コンピュータは、通例、２つの状態のみ、即ち、オンおよびオフ、または０および１を使用する。先行技術のプロセッサは、通例、二進ディジタル・フォーマットを使用して動作するが、本発明の実施形態例は、４つの状態を得るために、４つのＤＮＡヌクレオチド（アデノシン、チミン、シトシン、およびグアニン）を使用することができる。このように、本発明のこの実施形態は、２つよりも多い数の状態で動作することをコンピュータに可能にすることによって、先行技術のプロセッサよりも大幅に進歩する。このように、本発明は、ＤＮＡ計算に量子計算の利点の多くを得させることができる。
【００４９】
[0049]  以上様々な実施形態について例示の目的に限って詳細に説明したが、本発明の範囲および主旨から逸脱することなく、各々には種々の変更を行うこともできる。したがって、本発明は、添付した特許請求の範囲による以外では、限定されることはない。本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を一例として例示する詳細な説明から明白となろう。
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月27日(2014.11.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサであって、
格子状アセンブリに互いに対して配列されたまたは互いに接合された複数のＤＮＡ−トランジスタを含み、
前記複数のＤＮＡ−トランジスタの各々が、特定のアミノ酸シーケンスに構成されることによって論理ゲートを複製する複数のＤＮＡ−分子を含み、
前記格子状アセンブリが、パルス状電磁波の入力信号を受信するように構成され、
前記入力信号が第１変調データ信号を含み、
前記格子状アセンブリが、前記第１変調データ信号の吸収に続いて、第２変調データ信号を含む電磁波の出力信号を放出するように構成され、
前記第２変調データ信号が、前記複数のＤＮＡ−分子によって実行される計算動作に基づく、前記第１変調データ信号の増強である、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項２】
請求項１に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記第１変調データ信号を含む入力信号が、四進数系に基づく、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項３】
請求項１に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記第１変調データ信号を含む入力信号が、二進数系に基づく、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項４】
請求項１に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記第１変調データ信号を含む入力信号が、前記ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサに入力される前に、二進信号から四進数系に変換される、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記論理ゲートまたはＤＮＡ−トランジスタが、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＸＯＲ、またはＸＮＯＲを含む１つ以上のトランジスタ・タイプの組み合わせを含む、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記入力信号が、１つよりも多いパルス状電磁波を含む、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項７】
請求項６記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記出力信号が、１つよりも多い電磁波を含む、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項８】
請求項６又は７に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記１つよりも多いパルス状電磁波が、１つよりも多い異なる周波数を含む、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【請求項９】
請求項８に記載のＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサにおいて、前記１つよりも多い異なる周波数が、前記ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサが多数のデータ・シーケンスを同時に処理することを可能にする、ＤＮＡ−ベース・マイクロプロセッサ。
【国際調査報告】
2015518603.tif 000002