DNA計(jì)算機(jī)的發(fā)展正邁向一個(gè)嶄新的里程碑，中國(guó)上海交通大學(xué)的研究人員已經(jīng)在這一領(lǐng)域邁出了重要的一步。他們展示出可以構(gòu)建通用用途的DNA集成電路（DICs），這意味著這些集成電路可以進(jìn)行軟件編程，不再局限于執(zhí)行特定功能。這些通用DICs已經(jīng)證明可以解決數(shù)學(xué)問題并識(shí)別分子生物標(biāo)志物，顯示出DNA計(jì)算機(jī)未來可能在臨床和診斷應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

這項(xiàng)經(jīng)過同行評(píng)審的研究文章，題為《基于DNA的通用可編程門陣列用于DNA計(jì)算》（”DNA-based programmable gate arrays for general-purpose DNA computing“），于今天在《自然》雜志上發(fā)表。

通用用途的DNA集成電路 液相DNA電路具有在大量并行線程中編碼和運(yùn)行算法的潛力，但通用DICs的發(fā)展一直受到較少的關(guān)注。盡管在液相生物計(jì)算方面進(jìn)行了大量研究，該領(lǐng)域利用生物分子相互作用并與生物系統(tǒng)一起工作。例如，已經(jīng)創(chuàng)建了帶有邏輯電路、決策機(jī)器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DNA反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)在分子信息處理、合成智能設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中顯示出潛力。

與為每個(gè)應(yīng)用程序制作定制硬件不同，通用電子集成電路允許您為特定任務(wù)編寫軟件。這為原型計(jì)算機(jī)的開發(fā)提供了更高級(jí)別的平臺(tái)，而不必深入了解其背后的物理原理?，F(xiàn)代基于硅的計(jì)算機(jī)、基于碳納米管的新型計(jì)算機(jī)以及量子計(jì)算機(jī)都經(jīng)歷了從應(yīng)用特定到通用用途的轉(zhuǎn)變。

在電子集成電路中，門是物理位置，通用電信號(hào)以定向方式發(fā)送。然而，在DICs中，生物分子組件在溶液中擴(kuò)散并混合，這使得難以制造可擴(kuò)展和可編程的生物計(jì)算設(shè)備。

電子集成電路歷史上一個(gè)最重要的步驟是創(chuàng)建了現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），這是一種半導(dǎo)體設(shè)備，允許在制造后更改集成電路。FPGA中的邏輯塊設(shè)置在一個(gè)網(wǎng)格中，并通過可自定義的路徑進(jìn)行連接。將FPGA編程以特定方式工作，用戶可以像使用軟件一樣構(gòu)建自定義電路。

由王飛博士和范春海博士領(lǐng)導(dǎo)的研究人員受到基于硅的FPGA的啟發(fā)，創(chuàng)造了非?？蓴U(kuò)展的基于DNA的可編程門陣列（DPGAs）。這些DPGAs由單鏈DNA（ssDNA）寡核苷酸和漂浮在試管中的DNA折紙制成。ssDNA的工作方式類似于集成電路中的電子或光子，而DNA折紙則用作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)位的寄存器，用于計(jì)算或其他操作的輸入。

為了展示DICs的實(shí)際應(yīng)用，他們重新配置和編程多層DPGAs，開發(fā)了一個(gè)解二次方程的DIC，為了展示DICs的臨床和診斷相關(guān)性，研究人員解決了用于識(shí)別與疾病相關(guān)的生物標(biāo)志物的問題。為此，他們創(chuàng)建了一個(gè)非線性分類器，這對(duì)于決策樹和聚類等功能是必要的。他們展示了他們的系統(tǒng)可以在大約兩個(gè)小時(shí)內(nèi)正確識(shí)別所有23個(gè)測(cè)試樣本，區(qū)分健康和患病樣本。

那么，您下一臺(tái)計(jì)算機(jī)會(huì)是由DNA制成的嗎？可能不會(huì)。但作者們預(yù)計(jì)，集成的DPGAs將能夠在不久的將來處理來自生物標(biāo)志物的信息，而不僅僅局限于miRNAs（小分子RNA）。DNA計(jì)算機(jī)的潛力正在逐漸展現(xiàn)，它們可能成為生物計(jì)算和臨床診斷的有力工具。

參考文獻(xiàn)：DNA-based programmable gate arrays for general-purpose DNA computing

編輯：王洪

排版：李麗