新發現!DNA計算機證實化學編程指日可待

2021-01-11 手機鳳凰網

雷鋒網註：圖片來自Erik Winfree/Caltech

單細胞利用自己的DNA進行分裂、繁殖和分化，從而產生一個發育完全的生物體，這可謂是化學計算中最巧妙神秘的行為。本周，《自然》(Nature)雜誌發表研究報告稱，計算機科學家建造了第一臺可廣泛編程的DNA計算機，朝著利用化學計算的路途上邁出了至關重要的一步。

該系統利用DNA編寫的指令來執行不同的6位程序。以前的DNA計算機本質上都是定製的系統，只能夠解決特定的問題。但現在，研究人員用新系統來執行21個測試程序。在可編程物質中，化學軟體會自動指導具有複雜、可編程納米材料的構建。雖然僅由DNA和鹽水組成的新系統本身不足以成為科技應用，但是，它讓自組裝可編程物質的發展更進了一步。這項研究主要在加州理工學院(Caltech)進行。研究負責人、計算機科學和生物工程學教授埃裡克·溫弗裡(Erik Winfree)解釋說，新系統的創造者「試圖找出將計算行為嵌入化學的方式，從而控制化學的行為」。

DNA會形成一個由兩條長鏈組成的梯狀結構，每條鏈都有四種化學物質。這臺計算機的原理就在於:單鏈DNA會因化學序列的互補性和其他DNA鏈配對。加州理工學院的研究小組將他們的DNA序列設計成類似於2-輸入/2-輸出布爾邏輯門。這些門中的五個被連接成一個層，用6個輸入和6個輸出執行所需的計算。但是僅僅一層不能完成計算。相反，一系列功能相同的層，其中一個層的輸出連接到另一個層的輸入，迭代地執行計算，直到得到一個答案。我們可以這麼理解：隨著一層又一層的連接，算法最後編織了一個包含計算過程的納米級圍巾。

溫弗裡（Winfree）和他的團隊把這些電路抽象地想像成四方形的瓦片，瓦片兩邊都有固定裝置，只允許它們連接到帶有互補裝置的瓦片上，就像拼圖。計算機的全套指令由355種不同類型的瓦片組成。實際上，每塊瓦片上並非1條DNA單鏈而是4條，這樣就增加了足夠的餘地來克服意想不到的錯誤。

為了使計算有序進行（本質上是合成一種可以計算的晶體），研究人員需要某種既可以作為起點，又能承載DNA進行組裝的結構。達米安•伍茲(Damien Woods)曾從事DNA計算機研究，現在就職於愛爾蘭的梅努斯大學。他說，「我們想讓DNA有序地連接在一起形成迴路，而不是像在溶液裡一樣隨機粘在一起。這種DNA使用了一種叫做DNA摺紙的技術，設計成一個長150納米，寬20納米的納米管。計算晶體在納米管上進行組裝，方式類似於冰糖在裹著糖衣的繩子上結晶。

雷鋒網註：圖片來自Damien Woods/Maynooth University

想要在這臺6位DNA計算機上運行一個程序，首先需要一個自定義編譯器。「大量的想法和科學會投入到編譯器中，」伍茲如是說道。它允許研究人員編寫任何他們想要的軟體算法，並通過各種抽象層次將算法轉換為:邏輯到塊、塊到糾錯子塊、子塊到DNA序列等等。最後，它產生了一個指南，即指導DNA序列添加的內容、時間、以及溫度。DNA摺紙納米管需要一到兩個小時的時間來合成，而完成計算則需要一天左右的時間。(溫弗裡指出，速度從來都不是重點。)

對於Winfree來說，這一結果是其職業生涯的一大進步。「對我來說，這是一段相當長的路要走，」他說。大約25年前，當他還是一名研究生時，他對數學瓦片理論和理論計算機科學之間的奇妙聯繫產生了興趣，他想知道這種聯繫是否可以擴展到描述晶體生長的模型上。「這讓我非常好奇，偽晶體是否會在生長過程中進行計算。「現在我們知道他們可以。

雷鋒網註：本文編譯自IEEE Spectrum

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