新型液體計(jì)算機(jī)可運(yùn)行超過1000億個不同的電路

根據(jù)發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)新研究，這可能是第一臺可編程 DNA 計(jì)算機(jī)，能夠運(yùn)行數(shù)十億個不同的電路。創(chuàng)造這種液體機(jī)器的中國科學(xué)家表示，它可以解決數(shù)學(xué)問題，并且有一天可能會用于診斷疾病。

普通計(jì)算機(jī)依賴于硅微芯片，而 DNA 計(jì)算機(jī)則依賴于大自然數(shù)十億年來用來編碼生命藍(lán)圖的分子。DNA 計(jì)算使用實(shí)驗(yàn)室操作來執(zhí)行計(jì)算，以 DNA 鏈形式的數(shù)據(jù)作為輸入和輸出。

與常規(guī)計(jì)算相比，DNA 計(jì)算可能具有的一個潛在優(yōu)勢是它可以存儲的數(shù)據(jù)密度——理論上，DNA 每立方毫米最多可以存儲 1 艾字節(jié)，即 10 億千兆字節(jié)。此外，一滴水可以容納數(shù)萬億個 DNA 分子，這表明 DNA 計(jì)算能夠并行執(zhí)行大量計(jì)算，同時只需要很少的能量。

DNA 計(jì)算機(jī)如何工作

DNA 由四種不同的分子（稱為堿基）組成的鏈組成：腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鳥嘌呤，縮寫為 A、T、C 和 G。在電子學(xué)中，數(shù)據(jù)通常以一系列 0 和 1 進(jìn)行編碼。在 DNA 計(jì)算中，數(shù)字對 00、01、10 和 11 可以編碼為 A、T、C 和 G。

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

當(dāng)具有特殊設(shè)計(jì)序列的 DNA 分子彼此混合時，它們可以結(jié)合在一起并以某種方式分離，從而使它們充當(dāng)邏輯門（執(zhí)行 AND、OR 和 NOT 等邏輯運(yùn)算的設(shè)備）。邏輯門是普通計(jì)算機(jī)核心數(shù)字電路的構(gòu)建模塊。

DNA 計(jì)算面臨的一個主要問題是開發(fā)可編程邏輯門陣列。大多數(shù) DNA 計(jì)算機(jī)被設(shè)計(jì)為僅執(zhí)行特定算法或有限數(shù)量的計(jì)算任務(wù)。相比之下，普通計(jì)算機(jī)是通用機(jī)器，運(yùn)行可幫助其執(zhí)行許多任務(wù)的軟件。

「我們的團(tuán)隊(duì)多年來一直在 DNA 計(jì)算領(lǐng)域工作，」該研究的合著者、上海交通大學(xué)的分子工程師王菲說道。「在工作過程中，我們逐漸意識到現(xiàn)有的 DNA 電路設(shè)計(jì)流程是針對特定應(yīng)用的。我們總是需要為一個新功能設(shè)計(jì)一組分子，這既耗時又對非專家不友好，限制了 DNA 計(jì)算的發(fā)展和應(yīng)用?！?/p>

現(xiàn)在，王菲和他的同事們已經(jīng)創(chuàng)建了基于 DNA 的可編程門陣列，用于通用 DNA 計(jì)算。他們表示，他們可以對單個陣列進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)超過 1000 億個不同的電路。

DNA 計(jì)算的技術(shù)挑戰(zhàn)

DNA 計(jì)算面臨的一個關(guān)鍵問題是 DNA 分子如何能夠在基本上任何方向上流動。這使得將邏輯門組合在一起以按編程序列執(zhí)行計(jì)算變得具有挑戰(zhàn)性。

為了克服這個問題，研究人員構(gòu)建了所謂的 DNA 折紙技術(shù)。通過設(shè)計(jì)正確的 DNA 序列，人們可以使所得的軟盤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?yàn)槊總€ DNA 堿基如何與特定的伙伴結(jié)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(dǎo)計(jì)算機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)和指令流的設(shè)備。這些有助于控制 DNA 分子本質(zhì)上的隨機(jī)碰撞。

在新型 DNA 計(jì)算機(jī)中，寡核苷酸或 DNA 短片段在試管中移動，就像電子在普通計(jì)算機(jī)內(nèi)穿梭一樣。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用由 30 個邏輯門和約 500 條 DNA 鏈組成的 DNA 計(jì)算機(jī)來精確求平方根。他們還用它來識別三種與腎癌相關(guān)的遺傳分子——當(dāng)給它 18 個患病樣本和 5 個健康樣本時，它在大約兩個小時內(nèi)正確檢測并報(bào)告了哪些是哪個。

研究人員強(qiáng)調(diào)，DNA 計(jì)算機(jī)不會在傳統(tǒng)任務(wù)中取代普通計(jì)算機(jī)。一方面，新設(shè)備需要幾個小時才能進(jìn)行計(jì)算。

盡管如此，王菲表示，新的 DNA 計(jì)算機(jī)「將在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮作用，例如細(xì)胞編程和分子診斷?！褂捎?DNA 計(jì)算機(jī)使用 DNA 作為輸入和輸出材料，因此人們可以將它們設(shè)計(jì)為通過釋放一條 DNA 鏈來響應(yīng)它們檢測到的基因，而這反過來又會產(chǎn)生生物效應(yīng)。王菲表示，DNA 計(jì)算機(jī)可能會使用編程細(xì)胞來響應(yīng)污染物以進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，或響應(yīng)與癌癥相關(guān)的分子以進(jìn)行疾病治療。

科學(xué)家們指出的一個弱點(diǎn)是，這些 DNA 計(jì)算機(jī)的編程和運(yùn)行需要手動操作，「有點(diǎn)像早期可編程電子通用計(jì)算機(jī) ENIAC 的人類程序員，」王菲說。「我們現(xiàn)在正致力于通過將分子反應(yīng)與電控液體轉(zhuǎn)移相結(jié)合來實(shí)現(xiàn) DNA 計(jì)算的自動化?！?/p>

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