新型液體計算機可運行超過1000億個不同的電路

根據發表在《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，能夠運行數十億個不同的電路。創造這種液體機器的中國科學家表示，它可以解決數學問題，并且有一天可能會用于診斷疾病。

普通計算機依賴于硅微芯片，而 DNA 計算機則依賴于大自然數十億年來用來編碼生命藍圖的分子。DNA 計算使用實驗室操作來執行計算，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潛在優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，一滴水可以容納數萬億個 DNA 分子，這表明 DNA 計算能夠并行執行大量計算，同時只需要很少的能量。

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。在電子學中，數據通常以一系列 0 和 1 進行編碼。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行計算。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，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（執行 AND、OR 和 NOT 等邏輯運算的設備）。邏輯門是普通計算機核心數字電路的構建模塊。

DNA 計算面臨的一個主要問題是開發可編程邏輯門陣列。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。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的軟件。

「我們的團隊多年來一直在 DNA 計算領域工作，」該研究的合著者、上海交通大學的分子工程師王菲說道。「在工作過程中，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新功能設計一組分子，這既耗時又對非專家不友好，限制了 DNA 計算的發展和應用。」

現在，王菲和他的同事們已經創建了基于 DNA 的可編程門陣列，用于通用 DNA 計算。他們表示，他們可以對單個陣列進行編程，以實現超過 1000 億個不同的電路。

DNA 計算的技術挑戰

DNA 計算面臨的一個關鍵問題是 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行計算變得具有挑戰性。

為了克服這個問題，研究人員構建了所謂的 DNA 折紙技術。通過設計正確的 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，同樣是因為每個 DNA 堿基如何與特定的伙伴結合。）

科學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，就像電子在普通計算機內穿梭一樣。在實驗中，研究人員使用由 30 個邏輯門和約 500 條 DNA 鏈組成的 DNA 計算機來精確求平方根。他們還用它來識別三種與腎癌相關的遺傳分子——當給它 18 個患病樣本和 5 個健康樣本時，它在大約兩個小時內正確檢測并報告了哪些是哪個。

研究人員強調，DNA 計算機不會在傳統任務中取代普通計算機。一方面，新設備需要幾個小時才能進行計算。

盡管如此，王菲表示，新的 DNA 計算機「將在生物醫學應用中發揮作用，例如細胞編程和分子診斷。」由于 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釋放一條 DNA 鏈來響應它們檢測到的基因，而這反過來又會產生生物效應。王菲表示，DNA 計算機可能會使用編程細胞來響應污染物以進行環境監測，或響應與癌癥相關的分子以進行疾病治療。

科學家們指出的一個弱點是，這些 DNA 計算機的編程和運行需要手動操作，「有點像早期可編程電子通用計算機 ENIAC 的人類程序員，」王菲說。「我們現在正致力于通過將分子反應與電控液體轉移相結合來實現 DNA 計算的自動化。」

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 計算的優勢」