原標題：DNA計算機領域重要進展：DNA模擬電路進行數學運算

杜克大學畢業(yè)生 Tianqi Song 和計算機科學教授 John Reif

(圖片來源于：John Joyner)

引言

杜克大學研究人員設計的合成DNA鏈，以恰當濃度在試管內進行混合，然后形成模擬電路，當分子鏈接形成和打破的時候，進行加、減、乘運算。大多數DNA電路是數字的，而該設備則通過測量不同濃度的特定DNA分子，以模擬方式進行運算，無需將特定的電路事先將其轉化為0或者1。研究人員在《ACS合成生物學》8月份的月刊上描述了他們的方案。

關于DNA計算機

DNA計算，是計算機科學和分子生物學相結合的新型研究領域。這種由于DNA計算演化而來的DNA計算機，由裝有機液體的試管組成，因此被稱為“試管計算機”。

與傳統(tǒng)電子計算機相對，DNA計算機有著很多優(yōu)勢，例如體積小、存儲量大、運算快、能耗低、并行性等。和當今電子領域使用的硅電路不同，DNA電路的商業(yè)應用，仍然有很長的路要走。目前，“試管計算機”只能做一些有限運算，且時間運算時間較長，無法和現代個人電路或者其他傳統(tǒng)設備進行競爭。但是，DNA電路比傳統(tǒng)硅電路，體積小很多。而且，DNA電路可以在潮濕環(huán)境中運行，有利于在血液、湯汁、狹窄的細胞內進行計算。

IntelligentThings之前對于DNA計算機，也有過一些介紹，例如在“對細胞進行編程: 這并不是愚人節(jié)的笑話”()，介紹過一種編程語言，可以快速設計復雜的DNA編碼的電路，給細胞添加新功能。

另外，在“科學家對于細胞進行編程 追蹤和記錄細胞事件” ()，介紹了麻省理工學院工程師，對于細胞進行編程，對于一些列事件進行記憶和反應，進一步發(fā)明更復雜的細胞電路。科學家創(chuàng)造了生物學的“狀態(tài)機”和一種軟件，幫助用戶設計電路，來實現具有不同行為的狀態(tài)機，在細胞內部進行測試。

最后，在“活細胞中的基因電路：可以進行復雜計算，治療疾病”()一文中介紹，麻省理工學院的研究人員開發(fā)了一種新技術，它在活細胞中，集成模擬和數字兩種計算方式，讓細胞形成基因電路，進行復雜運算操作。

杜克大學的新研究

在一項新研究中，由John Reif 教授牽頭的杜克大學研究團隊，創(chuàng)造了合成DNA鏈，在試管內以恰當濃度混合時，形成模擬電路，當分子形成和打破鏈接時，可進行加、減、乘運算。DNA使用特定的DNA鏈濃度作為信號，而不是電壓。

其他還有一些團隊，設計過基于DNA的電路，可以解決從計算方根到井字游戲的各種問題。但是大多數DNA電路是數字的，信息以一串0和1的序列編碼。相反，杜克大學的新設備，通過直接測量不同濃度的特定DNA分子，而不需要特定的電路將他們轉化為0或者1。

這項技術利用了DNA的自然能力，壓縮和解壓縮進行運算，就像尼龍搭扣和磁鐵具有互補的鉤子或兩極，DNA的核苷酸堿基，以一種可預測的方式進行配對和綁定。

研究人員首先創(chuàng)造了合成DNA的短片段，將一些單鏈和一些以單鏈結束的雙鏈，在試管中進行混合。當單鏈和部分雙鏈的其中一個，在一端進行了完美的匹配，抓住并且綁定，取代以前綁定的鏈，使其分離。在電路中，新產生的鏈，可以和其他下游的互補DNA分子輪流配對，形成多米諾骨牌效應。當反應達到平衡時，研究人員通過測量即將離開的特定的鏈濃度，解決數學問題。

為了研究電路隨著時間推移，在反應進行時的表現，Reif 和杜克大學的的畢業(yè)生Tianqi Song，使用計算機軟件，通過一些列的輸入濃度模擬反應。他們在實驗室對于電路進行了實驗測試。

除了加、減、乘，研究人員也設計了更加復雜的模擬DNA電路，進行更廣泛的運算，例如對數和指數。

應用和未來展望

傳統(tǒng)計算機，在幾十年之前已經數字化。但是對于DNA計算來說，模擬的方法具有其優(yōu)點，研究人員稱。相對于數字的電路，DNA電路需要更少的DNA鏈。

模擬電路，更加適應感知信號，它們不是簡單的開關，或者0和1，例如生命體征和其他參與診斷和治療疾病的生理測量。

在不久的未來，設備可以編程感知特定的血液化學物質，并且發(fā)布特定的DNA或者RNA，具有類似藥物的效果。

Reif 的實驗室，也開始進行基于DNA設備方面的研究，可以監(jiān)測特定類型癌癥細胞的分子簽名，發(fā)布刺激免疫系統(tǒng)反擊的物質。即使十分簡單的DNA運算，也會在藥物或者科學領域，產生巨大的影響。

參考資料

【1】ianqi Song, Sudhanshu Garg, Reem Mokhtar, Hieu Bui, John Reif. Analog Computation by DNA Strand Displacement Circuits. ACS Synthetic Biology, 2016; 5 (8): 898 DOI:

【2】https://today.duke.edu/2016/08/analog_DNA_circuit

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總結

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