杜克大学毕业生 Tianqi Song 和计算机科学教授 John Reif

(图片来源于:John Joyner)  
                   

引言

杜克大学研究人员设计的合成DNA链,以恰当浓度在试管内进行混合,然后形成模拟电路,当分子链接形成和打破的时候,进行加、减、乘运算。大多数DNA电路是数字的,而该设备则通过测量不同浓度的特定DNA分子,以模拟方式进行运算,无需将特定的电路事先将其转化为0或者1。研究人员在《ACS合成生物学》8月份的月刊上描述了他们的方案。

关于DNA计算机

DNA计算,是计算机科学和分子生物学相结合的新型研究领域。这种由于DNA计算演化而来的DNA计算机,由装有机液体的试管组成,因此被称为“试管计算机”。

与传统电子计算机相对,DNA计算机有着很多优势,例如体积小、存储量大、运算快、能耗低、并行性等。和当今电子领域使用的硅电路不同,DNA电路的商业应用,仍然有很长的路要走。目前,“试管计算机”只能做一些有限运算,且时间运算时间较长,无法和现代个人电路或者其他传统设备进行竞争。但是,DNA电路比传统硅电路,体积小很多。而且,DNA电路可以在潮湿环境中运行,有利于在血液、汤汁、狭窄的细胞内进行计算。

IntelligentThings之前对于DNA计算机,也有过一些介绍,例如在“对细胞进行编程: 这并不是愚人节的笑话”(点击阅读),介绍过一种编程语言,可以快速设计复杂的DNA编码的电路,给细胞添加新功能。

另外,在“科学家对于细胞进行编程 追踪和记录细胞事件” (点击阅读),介绍了麻省理工学院工程师,对于细胞进行编程,对于一些列事件进行记忆和反应,进一步发明更复杂的细胞电路。科学家创造了生物学的“状态机”和一种软件,帮助用户设计电路,来实现具有不同行为的状态机,在细胞内部进行测试。

最后,在“活细胞中的基因电路:可以进行复杂计算,治疗疾病”(点击阅读)一文中介绍,麻省理工学院的研究人员开发了一种新技术,它在活细胞中,集成模拟和数字两种计算方式,让细胞形成基因电路,进行复杂运算操作。

杜克大学的新研究

在一项新研究中,由John Reif 教授牵头的杜克大学研究团队,创造了合成DNA链,在试管内以恰当浓度混合时,形成模拟电路,当分子形成和打破链接时,可进行加、减、乘运算。DNA使用特定的DNA链浓度作为信号,而不是电压。

其他还有一些团队,设计过基于DNA的电路,可以解决从计算方根到井字游戏的各种问题。但是大多数DNA电路是数字的,信息以一串0和1的序列编码。相反,杜克大学的新设备,通过直接测量不同浓度的特定DNA分子,而不需要特定的电路将他们转化为0或者1。

这项技术利用了DNA的自然能力,压缩和解压缩进行运算,就像尼龙搭扣和磁铁具有互补的钩子或两极,DNA的核苷酸碱基,以一种可预测的方式进行配对和绑定。


研究人员首先创造了合成DNA的短片段,将一些单链和一些以单链结束的双链,在试管中进行混合。当单链和部分双链的其中一个,在一端进行了完美的匹配,抓住并且绑定,取代以前绑定的链,使其分离。在电路中,新产生的链,可以和其他下游的互补DNA分子轮流配对,形成多米诺骨牌效应。当反应达到平衡时,研究人员通过测量即将离开的特定的链浓度,解决数学问题。

为了研究电路随着时间推移,在反应进行时的表现,Reif 和杜克大学的的毕业生Tianqi Song,使用计算机软件,通过一些列的输入浓度模拟反应。他们在实验室对于电路进行了实验测试。

除了加、减、乘,研究人员也设计了更加复杂的模拟DNA电路,进行更广泛的运算,例如对数和指数。

应用和未来展望

传统计算机,在几十年之前已经数字化。但是对于DNA计算来说,模拟的方法具有其优点,研究人员称。相对于数字的电路,DNA电路需要更少的DNA链。

模拟电路,更加适应感知信号,它们不是简单的开关,或者0和1,例如生命体征和其他参与诊断和治疗疾病的生理测量。

在不久的未来,设备可以编程感知特定的血液化学物质,并且发布特定的DNA或者RNA,具有类似药物的效果。

Reif 的实验室,也开始进行基于DNA设备方面的研究,可以监测特定类型癌症细胞的分子签名,发布刺激免疫系统反击的物质。即使十分简单的DNA运算,也会在药物或者科学领域,产生巨大的影响。

参考资料

【1】ianqi Song, Sudhanshu Garg, Reem Mokhtar, Hieu Bui, John Reif. Analog Computation by DNA Strand Displacement Circuits. ACS Synthetic Biology, 2016; 5 (8): 898 DOI: 10.1021/acssynbio.6b00144

【2】https://today.duke.edu/2016/08/analog_DNA_circuit


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DNA计算机领域重要进展:DNA模拟电路进行数学运算
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