注：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(chǎn)生一個發(fā)育完全的生物體，這可謂是化學(xué)計算中最巧妙神秘的行為。本周，《自然》(Nature)雜志發(fā)表研究報告稱，計算機科學(xué)家建造了第一臺可廣泛編程的DNA計算機，朝著利用化學(xué)計算的路途上邁出了至關(guān)重要的一步。

該系統(tǒng)利用DNA編寫的指令來執(zhí)行不同的6位程序。以前的DNA計算機本質(zhì)上都是定制的系統(tǒng)，只能夠解決特定的問題。但現(xiàn)在，研究人員用新系統(tǒng)來執(zhí)行21個測試程序。在可編程物質(zhì)中，化學(xué)軟件會自動指導(dǎo)具有復(fù)雜、可編程納米材料的構(gòu)建。雖然僅由DNA和鹽水組成的新系統(tǒng)本身不足以成為科技應(yīng)用，但是，它讓自組裝可編程物質(zhì)的發(fā)展更進了一步。這項研究主要在加州理工學(xué)院(Caltech)進行。研究負責人、計算機科學(xué)和生物工程學(xué)教授埃里克·溫弗里(Erik Winfree)解釋說，新系統(tǒng)的創(chuàng)造者“試圖找出將計算行為嵌入化學(xué)的方式，從而控制化學(xué)的行為”。

DNA會形成一個由兩條長鏈組成的梯狀結(jié)構(gòu)，每條鏈都有四種化學(xué)物質(zhì)。這臺計算機的原理就在于:單鏈DNA會因化學(xué)序列的互補性和其他DNA鏈配對。加州理工學(xué)院的研究小組將他們的DNA序列設(shè)計成類似于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(zhí)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(zhí)行計算，直到得到一個答案。我們可以這么理解：隨著一層又一層的連接，算法最后編織了一個包含計算過程的納米級圍巾。

溫弗里（Winfree）和他的團隊把這些電路抽象地想象成四方形的瓦片，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，每塊瓦片上并非1條DNA單鏈而是4條，這樣就增加了足夠的余地來克服意想不到的錯誤。

為了使計算有序進行（本質(zhì)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(jié)構(gòu)。達米安?伍茲(Damien Woods)曾從事DNA計算機研究，現(xiàn)在就職于愛爾蘭的梅努斯大學(xué)。他說，“我們想讓DNA有序地連接在一起形成回路，而不是像在溶液里一樣隨機粘在一起。這種DNA使用了一種叫做DNA折紙的技術(shù)，設(shè)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，方式類似于冰糖在裹著糖衣的繩子上結(jié)晶。

注：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?！按罅康南敕ê涂茖W(xué)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件算法，并通過各種抽象層次將算法轉(zhuǎn)換為:邏輯到塊、塊到糾錯子塊、子塊到DNA序列等等。最后，它產(chǎn)生了一個指南，即指導(dǎo)DNA序列添加的內(nèi)容、時間、以及溫度。DNA折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。(溫弗里指出，速度從來都不是重點。)

對于Winfree來說，這一結(jié)果是其職業(yè)生涯的一大進步?！皩ξ襾碚f，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(shù)學(xué)瓦片理論和理論計算機科學(xué)之間的奇妙聯(lián)系產(chǎn)生了興趣，他想知道這種聯(lián)系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(xiàn)在我們知道他們可以。

注：本文編譯自IEEE Spectrum