圖 DNA卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于分子信息圖譜分類

　　在國家自然科學(xué)基金項目（批準(zhǔn)號：21722502、22074041、21991134、T2188102）等資助下，華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院裴昊教授團隊用DNA構(gòu)造出了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其能直接處理復(fù)雜的生物分子信息，具備對32類分子圖譜信息分類功能，是迄今為止規(guī)模最大、功能最復(fù)雜的人工化學(xué)分子智能反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。研究成果以“基于DNA調(diào)控電路的分子卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Molecular convolutional neural networks with DNA regulatory circuits）”為題，于2022年7月4日在《自然·機器智能》（Nature Machine Intelligence）上發(fā)表。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42256-022-00502-7。

DNA計算機是一種生物形式的計算機，由一系列生物分子以溶液形態(tài)組合而成，通過生物化學(xué)反應(yīng)進行高度并行計算，實現(xiàn)分子信息的快速處理，也有人稱之為“液態(tài)電腦”。相較于傳統(tǒng)硅基計算機僅能處理符號信息，DNA計算機能夠使科學(xué)測量（感知信息）與化學(xué)反應(yīng)同步，對生命活動中的分子特征信息進行直接檢測與感知。普通的醫(yī)學(xué)檢測僅能測量出少量生物分子，如果使用大規(guī)模生物分子電路，有可能同時對數(shù)百種生物分子進行診斷測試，并直接在化學(xué)和生物環(huán)境中實現(xiàn)分析和診斷?；贒NA分子鏈置換反應(yīng)機制，研究人員實現(xiàn)了包括布爾邏輯計算、模擬計算及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算等多種運算功能的DNA計算機的構(gòu)建。然而，如何擴展分子反應(yīng)系統(tǒng)的規(guī)模及其復(fù)雜性，構(gòu)建具有更強大計算能力的人工分子反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，仍具有極大的挑戰(zhàn)。

研究團隊在核酸化學(xué)研究的基礎(chǔ)上，面向分析化學(xué)、計算機科學(xué)與分子生物學(xué)的交叉融合發(fā)展，針對發(fā)展超大規(guī)模DNA分子反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵科學(xué)難題，以分子開關(guān)門架構(gòu)為基礎(chǔ)電路組件，基于權(quán)重調(diào)節(jié)區(qū)域與識別區(qū)域功能的模塊化，實現(xiàn)了信號傳輸功能與權(quán)重賦予功能的獨立調(diào)控以實現(xiàn)權(quán)重共享。該策略成功實現(xiàn)了多種數(shù)學(xué)運算，包括分子權(quán)重乘法、加法、減法、多輸入乘加（MAC）計算及復(fù)雜卷積計算?；诙喾N模塊化分子運算單元的級聯(lián)組合，進一步構(gòu)建了一種大規(guī)模DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包含512個分子，涉及數(shù)千種化學(xué)反應(yīng)，可產(chǎn)生數(shù)百種分子產(chǎn)物，能實現(xiàn)對32類144-bits分子信息圖譜識別分類，所構(gòu)建的DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)了強大的分子圖譜信息處理能力，有望進一步在智能生物傳感等領(lǐng)域得以應(yīng)用。

來源：國家自然科學(xué)基金委員會