化學(xué)計(jì)算中最精巧，最神秘的行為可能就是當(dāng)一個(gè)細(xì)胞利用其DNA進(jìn)行分裂，繁殖和專門化以產(chǎn)生一個(gè)完全發(fā)育的生物體時(shí)。在研究報(bào)道，本周在自然，計(jì)算機(jī)科學(xué)家邁出了通過構(gòu)建第一廣泛的可編程利用化學(xué)計(jì)算的潛力小而重要的一步DNA計(jì)算機(jī)。
系統(tǒng)使用一組用DNA編寫的指令執(zhí)行各種6位程序。研究人員使用它來執(zhí)行21個(gè)測試程序，盡管該系統(tǒng)具有更多功能。以前的DNA計(jì)算機(jī)方案基本上是定制系統(tǒng)，只能解決它們設(shè)計(jì)的單一問題。
新的系統(tǒng)，它是由剛剛DNA和鹽的水，是不太可能找到一個(gè)技術(shù)應(yīng)用本身。但這是朝著開發(fā)自組裝可編程物質(zhì)邁出的一步，化學(xué)軟件可以自動(dòng)引導(dǎo)具有復(fù)雜的可編程納米級特征的材料構(gòu)建。它的創(chuàng)造者“試圖理解如何在化學(xué)中嵌入計(jì)算行為以控制化學(xué)的作用，” 負(fù)責(zé)該研究的計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物工程學(xué)教授Erik Winfree解釋說，該研究 主要在加州理工學(xué)院進(jìn)行。
DNA形成梯狀結(jié)構(gòu)，由兩條長鏈組成。每條鏈?zhǔn)撬姆N化學(xué)物質(zhì)的序列。計(jì)算機(jī)取決于單鏈DNA將試圖與具有與其自身互補(bǔ)的一系列化學(xué)物質(zhì)的其他鏈配對的事實(shí)。加州理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了他們的DNA序列，就像2輸入/ 2輸出布爾邏輯門。這些門中的五個(gè)連接形成一層，用6個(gè)輸入和6個(gè)輸出執(zhí)行所需的計(jì)算。但單獨(dú)一層無法完成計(jì)算。相反，一系列功能相同的層，其中一個(gè)的輸出連接到另一個(gè)的輸入，迭代地執(zhí)行計(jì)算，直到它收斂于答案。換句話說，算法逐層連接進(jìn)行，
Winfree和他的團(tuán)隊(duì)抽象地將這些電路構(gòu)思為方形瓷磚，其側(cè)面有固定裝置，只允許它們連接到帶有互補(bǔ)夾具的瓷磚，就好像瓷磚是拼圖一樣。計(jì)算機(jī)的完整說明書包含355種不同類型的圖塊。實(shí)際上，每個(gè)瓷磚由四條單鏈DNA而不是一條DNA組成，從而增加了足夠的冗余以克服許多錯(cuò)誤。
為了使計(jì)算以有序的方式進(jìn)行 - 基本上正在增長計(jì)算的晶體 - 研究人員需要一些可以作為DNA可以組裝的起點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的東西。“我們希望DNA能夠粘在一起進(jìn)行循環(huán)，而不是[在一起]隨機(jī)解決問題” Damien Woods說，他曾在DNA計(jì)算機(jī)上工作，目前在愛爾蘭的梅努斯大學(xué)工作。
答案更多的是DNA，大衛(wèi)·多蒂解釋說，他也曾在加州大學(xué)戴維斯分校工作。這種DNA利用了一種名為DNA折紙的材料技術(shù)，它被設(shè)計(jì)成將自身折疊成150納米長，20納米寬的納米管。納米管的組分充當(dāng)計(jì)算晶體可以組裝的一種種子，類似于冰糖在糖衣串末端結(jié)晶的方式。
在這個(gè)6位DNA計(jì)算機(jī)上運(yùn)行程序從一個(gè)定制的編譯器開始。“大量的思想和科學(xué)進(jìn)入了編譯器，”伍茲說。它允許研究人員編寫他們想要的任何軟件算法并通過各種抽象級別轉(zhuǎn)換該算法：邏輯到瓦片，瓦片到糾錯(cuò)子瓦片，子瓦片到DNA序列等等。最后，它產(chǎn)生的基本上是添加DNA序列，何時(shí)添加它們以及在什么溫度下的配方。DNA折紙納米管生長需要一到兩個(gè)小時(shí)，而計(jì)算完成需要一天左右的時(shí)間。(Winfree指出，速度永遠(yuǎn)不是重點(diǎn)。)
折紙結(jié)構(gòu)是閱讀答案的關(guān)鍵。它的DNA序列被設(shè)計(jì)成在計(jì)算中比特等于1的任何地方，蛋白質(zhì)標(biāo)簽都會附著。納米管還拉開以形成易于檢查的矩形。在原子力顯微鏡下，您可以將計(jì)算的進(jìn)度讀取到以蛋白質(zhì)標(biāo)記位表示的最終結(jié)果。
對于Winfree來說，這個(gè)結(jié)果是完整職業(yè)生涯中邁出的一大步。“對我來說，這已經(jīng)是一個(gè)漫長的過程，”他說。大約25年前，當(dāng)他對數(shù)學(xué)平鋪理論與理論計(jì)算機(jī)科學(xué)之間的奇怪聯(lián)系感興趣時(shí)，他的興趣引發(fā)了研究生的興趣，他想知道它是否擴(kuò)展到描述晶體生長的模型。“如果偽晶體隨著它們的增長而進(jìn)行計(jì)算，這讓我非常好奇。”現(xiàn)在我們知道它們可以。