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可编程 DNA 机器提供通用计算 新型液体计算机可运行超过1000亿个不同的电路
杂志上的一项新研究,这可能是第一台可编程 DNA 计算机,能够运行数十亿个不同的电路。创造这种液体机器的中国科学家表示,它可以解决数学问题,并且有一天可能会用于疾病诊断。

普通计算机依赖于硅微芯片,而 DNA 计算机则依赖于大自然数十亿年来用来编码生命蓝图的分子。DNA 计算使用实验室操作来执行计算,以 DNA 链形式的数据作为输入和输出。

与常规计算相比,DNA 计算可能具有的一个潜在优势是它可以存储的数据密度——理论上,DNA 每立方毫米最多可以存储1 艾字节,即 10 亿千兆字节。此外,一滴水可以容纳数万亿个 DNA 分子,这表明 DNA 计算能够并行执行大量计算,同时只需要很少的能量。

DNA计算机如何工作
DNA 由四种不同的分子(称为碱基)组成的链组成:腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤,缩写为 A、T、C 和 G。在电子学中,数据通常以一系列 0 和 1 进行编码。在DNA计算中,数字对00、01、10和11可以编码为A、T、C和G。

DNA 计算通常根据碱基彼此结合的特定方式进行计算。腺嘌呤与胸腺嘧啶配对,胞嘧啶与鸟嘌呤配对;例如,由 ATCG 组成的短链将与 TAGC 结合,而不是与其他序列结合。

当具有特殊设计序列的 DNA 分子彼此混合时,它们可以结合在一起并以某种方式分离,从而使它们充当逻辑门(执行AND、OR 和 NOT 等逻辑运算的设备)。逻辑门是普通计算机核心数字电路的构建模块。

DNA 计算面临的一个主要问题是开发可编程逻辑门阵列。大多数 DNA 计算机被设计为仅执行特定算法或有限数量的计算任务。相比之下,普通计算机是通用机器,运行可帮助其执行许多任务的软件。

“我们的团队多年来一直在 DNA 计算领域工作,”该研究的合著者、上海交通大学的分子工程师王飞说道。“在工作过程中,我们逐渐意识到现有的 DNA 电路设计流程是针对特定应用的。我们总是需要为新功能设计一组分子,这既耗时又对非专家不友好,限制了DNA计算的发展和应用。”

现在,王和他的同事们已经创建了基于 DNA 的可编程门阵列,用于通用 DNA 计算。他们表示,他们可以对单个阵列进行编程,以实现超过 1000 亿个不同的电路。

DNA计算的技术挑战
DNA 计算的一个主要障碍是 DNA 分子基本上可以向任何方向流动。这使得将逻辑门组合在一起以按编程序列执行计算变得具有挑战性。

为了克服这个问题,研究人员构建了所谓的DNA 折纸技术。通过设计正确的 DNA 序列,人们可以使所得的软盘链粘在自身上并弯曲成几乎任何所需的 2D 或 3D 形状。DNA折纸可以折叠并固定在一起,因为每个 DNA 碱基都与特定的伙伴结合。

科学家们制作了可以像寄存器一样工作的 DNA 折纸——引导计算机内数据和指令流的设备。这些有助于控制 DNA 分子本质上的随机碰撞。

在新型 DNA 计算机中,寡核苷酸(DNA 的短片段)在试管中移动,就像电子在普通计算机内穿梭一样。在实验中,研究人员使用由 30 个逻辑门和约 500 条 DNA 链组成的 DNA 计算机来精确求平方根。他们还用它来识别与肾癌相关的三种遗传分子。当计算机获得 18 个患病样本和 5 个健康样本时,它在大约 2 小时内正确检测并报告了哪些样本。

研究人员强调,DNA 计算机不会在传统任务中取代普通计算机。一方面,新设备需要几个小时才能进行计算。

尽管如此,新的 DNA 计算机“将在生物医学应用中发挥作用,例如细胞编程和分子诊断,”Wang 说。由于 DNA 计算机使用 DNA 作为输入和输出材料,因此人们可以将它们设计为通过释放一条 DNA 链来响应它们检测到的基因,而这反过来又会产生生物效应。Wang 表示,DNA 计算机可能会用于对细胞进行编程,以响应污染物以进行环境监测,或响应与癌症相关的分子以进行疾病治疗。

科学家指出的一个弱点是,这些 DNA 计算机的编程和运行需要手动操作,“有点像早期可编程电子通用计算机ENIAC的人类程序员,”王说。“我们现在正致力于通过将分子反应与电控液体转移相结合来实现 DNA 计算的自动化。”

Wang 表示,研究人员下一步希望用他们的新设备执行一些复杂的算法,“以展示 DNA 计算的优势”。他补充说,研究人员的目标是利用他们的成果来诊断不同类型的疾病。
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