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(xiàng)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(tuán)隊(duì)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(jī)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(jì)算機(jī)是一種生物形式的計(jì)算機(jī)，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(jìn)行高度并行計(jì)算，實(shí)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(jì)算機(jī)僅能處理符號信息，DNA計(jì)算機(jī)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(jìn)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(shí)對數(shù)百種生物分子進(jìn)行診斷測試，并直接在化學(xué)和生物環(huán)境中實(shí)現(xiàn)分析和診斷?；贒NA分子鏈置換反應(yīng)機(jī)制，研究人員實(shí)現(xiàn)了包括布爾邏輯計(jì)算、模擬計(jì)算及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算等多種運(yùn)算功能的DNA計(jì)算機(jī)的構(gòu)建。然而，如何擴(kuò)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(qiáng)大計(jì)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(tuán)隊(duì)在核酸化學(xué)研究的基礎(chǔ)上，面向分析化學(xué)、計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)了信號傳輸功能與權(quán)重賦予功能的獨(dú)立調(diào)控以實(shí)現(xiàn)權(quán)重共享。該策略成功實(shí)現(xiàn)了多種數(shù)學(xué)運(yùn)算，包括分子權(quán)重乘法、加法、減法、多輸入乘加（MAC）計(jì)算及復(fù)雜卷積計(jì)算?；诙喾N模塊化分子運(yùn)算單元的級聯(lián)組合，進(jìn)一步構(gòu)建了一種大規(guī)模DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包含512個(gè)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(shí)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(qiáng)大的分子圖譜信息處理能力，有望進(jìn)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