微软创造出全新DNA生物计算机 逻辑与生命实现完美交融

我们听说过超级计算机、量子计算机,但是,有一种特殊的计算机同样是未来计算机发展的一大方向,那就是 DNA 计算机。DNA 计算机是一种生物形式的计算机。在DNA计算机内,计算不再是物理性质的符号变换,而是化学性质的符号变换,传统意义上的“加”、“减”操作也变成了化学性质的切割和粘贴、插入和删除。

许多年来,有一家科技巨头一直对 DNA 分子计算机的前景表现出浓厚的兴趣,那就是微软。

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就在 2016 年,微软的研究者们就创下 DNA 数据存储量的记录(该记录今年被哈佛团队打破)。如今,微软又把研究目标转向 DNA 分子计算机的另一个重要分支——数据运算。

微软与华盛顿大学的研究小组联手找到了大幅提升 DNA 分子运算的方法,这将加快人们利用 DNA 计算机对体内基因突变或癌症检测和监控的脚步。经过实验证明,新型的 DNA 计算机仅用了七分钟就完成运行包含 3 个输入链的与门,而之前的设备需要四个小时完成同样的工作量。

研究成果发布在 7 月 24 日的《自然 - 纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。

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图丨本次论文标题

实际上,DNA 计算机由 DNA 分子电路组成,“输入”的是细胞质中的 RNA、蛋白质以及其他化学物质,“输出”的则是很容易辨别的分子信号。与传统的计算机相同,DNA 分子电路上也有“与”“或”“非”逻辑门(逻辑门是集成电路的基本组件)。

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图丨计算机中的各种逻辑门

该组研究人员在论文中称,他们利用 DNA 折纸术形成 DNA 发卡结构(hairpin)的空间排列组织,以构建排列 DNA 分子逻辑门和信号传输线。所谓发卡结构,就是如果非子链和母链的两条 DNA 链碱基互补配对, 就会出现有部分区域无法配对而突起的部位, 也就是我们所说的发卡结构。它让 DNA 分子间的排列更加有序,更加模块化,同时每个 DNA 分子也相对“固定”了下来,就像固定的分子电路板一样。

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图丨 DNA 多米诺电路设计过程

与平日里的计算机不同,这些纳米层面上的计算机电路是由人造 DNA 构成的,被称为“DNA 多米诺电路”——由不同的 DNA 链组成。这种 DNA 分子电路在工作过程中,电路上相邻的 DNA 链通过链上的发卡结构部位连接起来,并且一个一个接着相互反应作用下去,就像多米诺骨牌倒塌一样,直到反应完成,得到目标 DNA 链。

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图丨信息在发卡 DNA 链间的传输

其结果显示,无论是在不同长度还是不同方向的传输线上,这种结构的 DNA 分子电路都具备良好的信号传播能力。另外,逻辑门通过模块化的方式可以组合成常规的电路模式,同样也大大提高了 DNA 分子间的信息传输速度和稳定性。

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图丨微软公司生物计算组组长 Andrew Phillips

微软公司生物计算组组长 Andrew Phillips 在采访中对研究细节进行了进一步解释,“在一个设备中,组成分子在空间上被紧密的排列在一起,而对于我们的研究来说,作为组成分子的 DNA 分子链通过折纸技术被相对固定在整个系统的空间结构上,看起来就像分子电路板。”

这次的研究成果与过去的 DNA 计算机有很大的不同。之前的大多数 DNA 计算机是把 DNA 链溶解于化学溶液中——这么做的缺点是,DNA 分子可以在化学液中随意游走,容易产生连接或者发生反应,因此影响工作效率。

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Phillips 介绍了新型 DNA 分子计算机的改进:“而对于我们来说,构成设备的 DNA 分子被紧密的排列在一起,同时,它们的位置也被 DNA 分子电路板所固定——这样一来,它们会首先与相邻的 DNA 分子反应,而不是随意游走到其他地方与其他位置的 DNA 分子接触。”

“这种方法有效的减少了 DNA 分子间的相互影响。尽管我们的设备还依赖扩散原理来运作,但由于大部分分子都在 DNA 空间结构上被固定,四处游走的是传递信息的燃料链,运行速度还是比原来大大提高。”

如此一来,这些设备会有很高的伸缩性,因为新型的 DNA 分子计算机可以进行自组装,也就是说分子可以自我组织排布。对此,Phillips 表示, “DNA 分子链会在 DNA 分子电路板上结为一个整体,而我们会利用它的自组装能力来校准 DNA 分子的位置。”

对研究者们来说,下一步的研究是如何扩展 DNA 分子电路板的大小,但这需要更先进的 DNA 折纸技术。

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图 | DNA 之所以可以按需求被折叠、粘贴,还是要归功于它独特的双螺旋结构:两条平行、反向的单链之间按照精密的碱基互补原则相连接,A 与 T,G 与 C,就像一把钥匙配一把锁,具有唯一性和高度特异性(A 为腺嘌呤,T 为胸腺嘧啶,G 为鸟嘌呤,C 为胞嘧啶)。这些碱基的化学组成使得设计好 ATGC 排序的两条 DNA 单链,能在茫茫链海中找到彼此,紧紧结合,最终组成研究人员想要的形状。

Phillips 还表示,“我们还准备把新型设备与疾病的标志物(如 RNA)等生物标记联系起来,这样一来,计算机逻辑可以被用于精确诊断人体内的病毒性疾病和癌症。起初是从血液中检测,但随着科技的发展,我们将实现从任意活细胞中检测疾病的设想。”

以编码的 DNA 序列为运算对象建立的 DNA 计算机,具有实时探测和监控基因突变等细胞内一切活动的特征信息,确定癌细胞等病变细胞等功能 。未来,科学家更是希望,利用 DNA 计算逻辑的运算判断能力开发出“能检测”、“会思考”的智能 DNA 计算机设备,使得开发个性化的“智能药物”将成为现实。

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对此,基因编辑领域学者、斯坦福大学生物工程系和化学与系统生物学系助理教授亓磊近期也表示,基因编辑有望让人体成为一台基因可被读取、预测和改写的“DNA 计算机”,它不仅能够充当监控设备,发现潜在的致病变化,还可以在人体内合成所需的药物,治疗癌症、心脏病、动脉硬化等各种疑难病症,甚至在恢复盲人视觉方面也将大显身手。

尽管微软的此次成果为 DNA 计算机迈出了很大一步,但目前 DNA 计算机仍然处于非常早期的研究阶段。由于受目前生物技术水平的限制,DNA 计算过程中,前期 DNA 分子链的创造和后期 DNA 分子链的挑选,要耗费相当大的工作量。

比如,阿德勒曼的“试管电脑”在几秒钟内就得出结果,但是他却花掉数周的时间去挑选正确的结果。另外,在数学领域中著名的旅行推销员问题(TSP 问题)中,如果实验中城市数目增加到 200 个,那么计算所需的 DNA 重量将会超过地球的重量。而且数以亿计的 DNA 分子非常复杂,在反应过程中很容易发生变质和损伤,甚至试管壁吸附残留都可能发生致命错误。

因此,DNA 计算机真正进入现实生活尚需时日,我们距离建造一台成熟的 DNA 计算机也还有很长的路要走。

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