新型液體計算機可運行超過(guò)1000億個(gè)不同的電路

根據發(fā)表在《自然》雜志上的一項新研究，這可能是第一臺可編程 DNA 計算機，能夠運行數十億個(gè)不同的電路。創(chuàng )造這種液體機器的中國科學(xué)家表示，它可以解決數學(xué)問(wèn)題，并且有一天可能會(huì )用于診斷疾病。

普通計算機依賴(lài)于硅微芯片，而 DNA 計算機則依賴(lài)于大自然數十億年來(lái)用來(lái)編碼生命藍圖的分子。DNA 計算使用實(shí)驗室操作來(lái)執行計算，以 DNA 鏈形式的數據作為輸入和輸出。

與常規計算相比，DNA 計算可能具有的一個(gè)潛在優(yōu)勢是它可以存儲的數據密度——理論上，DNA 每立方毫米最多可以存儲 1 艾字節，即 10 億千兆字節。此外，一滴水可以容納數萬(wàn)億個(gè) DNA 分子，這表明 DNA 計算能夠并行執行大量計算，同時(shí)只需要很少的能量。

DNA 計算機如何工作

DNA 由四種不同的分子（稱(chēng)為堿基）組成的鏈組成：腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鳥(niǎo)嘌呤，縮寫(xiě)為 A、T、C 和 G。在電子學(xué)中，數據通常以一系列 0 和 1 進(jìn)行編碼。在 DNA 計算中，數字對 00、01、10 和 11 可以編碼為 A、T、C 和 G。

DNA 計算通常根據堿基彼此結合的特定方式進(jìn)行計算。腺嘌呤與胸腺嘧啶配對，胞嘧啶與鳥(niǎo)嘌呤配對；例如，由 ATCG 組成的短鏈將與 TAGC 結合，而不是與其他序列結合。

當具有特殊設計序列的 DNA 分子彼此混合時(shí)，它們可以結合在一起并以某種方式分離，從而使它們充當邏輯門(mén)（執行 AND、OR 和 NOT 等邏輯運算的設備）。邏輯門(mén)是普通計算機核心數字電路的構建模塊。

DNA 計算面臨的一個(gè)主要問(wèn)題是開(kāi)發(fā)可編程邏輯門(mén)陣列。大多數 DNA 計算機被設計為僅執行特定算法或有限數量的計算任務(wù)。相比之下，普通計算機是通用機器，運行可幫助其執行許多任務(wù)的軟件。

「我們的團隊多年來(lái)一直在 DNA 計算領(lǐng)域工作，」該研究的合著(zhù)者、上海交通大學(xué)的分子工程師王菲說(shuō)道?！冈诠ぷ鬟^(guò)程中，我們逐漸意識到現有的 DNA 電路設計流程是針對特定應用的。我們總是需要為一個(gè)新功能設計一組分子，這既耗時(shí)又對非專(zhuān)家不友好，限制了 DNA 計算的發(fā)展和應用?！?/p>

現在，王菲和他的同事們已經(jīng)創(chuàng )建了基于 DNA 的可編程門(mén)陣列，用于通用 DNA 計算。他們表示，他們可以對單個(gè)陣列進(jìn)行編程，以實(shí)現超過(guò) 1000 億個(gè)不同的電路。

DNA 計算的技術(shù)挑戰

DNA 計算面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是 DNA 分子如何能夠在基本上任何方向上流動(dòng)。這使得將邏輯門(mén)組合在一起以按編程序列執行計算變得具有挑戰性。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，研究人員構建了所謂的 DNA 折紙技術(shù)。通過(guò)設計正確的 DNA 序列，人們可以使所得的軟盤(pán)鏈粘在自身上并彎曲成幾乎任何人們想要的 2-D 或 3-D 形狀。（這種 DNA 折紙折疊并保持在一起，同樣是因為每個(gè) DNA 堿基如何與特定的伙伴結合。）

科學(xué)家們制作了可以像寄存器一樣工作的 DNA 折紙——引導計算機內數據和指令流的設備。這些有助于控制 DNA 分子本質(zhì)上的隨機碰撞。

在新型 DNA 計算機中，寡核苷酸或 DNA 短片段在試管中移動(dòng)，就像電子在普通計算機內穿梭一樣。在實(shí)驗中，研究人員使用由 30 個(gè)邏輯門(mén)和約 500 條 DNA 鏈組成的 DNA 計算機來(lái)精確求平方根。他們還用它來(lái)識別三種與腎癌相關(guān)的遺傳分子——當給它 18 個(gè)患病樣本和 5 個(gè)健康樣本時(shí)，它在大約兩個(gè)小時(shí)內正確檢測并報告了哪些是哪個(gè)。

研究人員強調，DNA 計算機不會(huì )在傳統任務(wù)中取代普通計算機。一方面，新設備需要幾個(gè)小時(shí)才能進(jìn)行計算。

盡管如此，王菲表示，新的 DNA 計算機「將在生物醫學(xué)應用中發(fā)揮作用，例如細胞編程和分子診斷?！褂捎?DNA 計算機使用 DNA 作為輸入和輸出材料，因此人們可以將它們設計為通過(guò)釋放一條 DNA 鏈來(lái)響應它們檢測到的基因，而這反過(guò)來(lái)又會(huì )產(chǎn)生生物效應。王菲表示，DNA 計算機可能會(huì )使用編程細胞來(lái)響應污染物以進(jìn)行環(huán)境監測，或響應與癌癥相關(guān)的分子以進(jìn)行疾病治療。

科學(xué)家們指出的一個(gè)弱點(diǎn)是，這些 DNA 計算機的編程和運行需要手動(dòng)操作，「有點(diǎn)像早期可編程電子通用計算機 ENIAC 的人類(lèi)程序員，」王菲說(shuō)?！肝覀儸F在正致力于通過(guò)將分子反應與電控液體轉移相結合來(lái)實(shí)現 DNA 計算的自動(dòng)化?！?/p>

王菲表示，研究人員下一步希望用他們的新設備執行一些復雜的算法，「以展示 DNA 計算的優(yōu)勢」