在計算機的龐大宇宙里，有依賴于硅晶片的常規(guī)計算機，也有生物形式的 DNA 計算機。后者利用 DNA 建立一種完整的信息技術(shù)形式，以編碼的 DNA 序列為運算對象，通過分子生物學的運算操作來解決復雜的數(shù)學難題。

DNA 計算機依賴的不再是硅晶片，而是大自然數(shù)十億年來用以編碼生命藍圖的分子。這類計算機通過實驗室操作來執(zhí)行計算，并以 DNA 鏈式形式的數(shù)據(jù)作為輸入和輸出。

與常規(guī)計算機相比，DNA 計算的一個潛在優(yōu)勢在于它可以存儲的數(shù)據(jù)密度。理論上，DNA 每平方毫米最多可以存儲 1 艾字節(jié)（exabyte）或 10 億千兆字節(jié)。不僅如此，一滴水就能容納數(shù)萬億 DNA 分子，這表明 DNA 計算能夠并行執(zhí)行海量計算的同時，只需要很少的能量。

近日，上海交通大學樊春海院士、王飛副教授團隊開發(fā)出了一種可編程的 DNA 計算機，相關(guān)研究論文已經(jīng)在 Nature 上發(fā)表。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06484-9

研究者通過集成支持通用性計算的多層 DNA 可編程門陣列（DPGA, DNA-based programmable gate array），展示了一種 DNA 集成電路（DIC）。他們發(fā)現(xiàn)，使用通用的單鏈寡核苷酸作為統(tǒng)一的傳輸信號，可以可靠地集成大規(guī)模 DIC，并能最小化泄露，實現(xiàn)高保真度。此外對具有 24 個可尋址雙軌門的單個 DPGA 進行重新配置，可以運行超過 1000 億個不同的電路。

此外，為了控制分子本質(zhì)上的隨機碰撞，研究者設計了 DNA 折紙寄存器，為級聯(lián) DPGA 的異步執(zhí)行提供了方向。他們通過三層級聯(lián) DPGA（包含 30 個邏輯門、約 500 個 DNA 鏈）組裝而成的二次方程求解 DIC 證明了這一點。

研究者進一步證明，DPGA 與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的集成可以對與疾病相關(guān)的 microRNA 進行分類。無明顯信號衰減下集成大規(guī)模 DPGA 網(wǎng)絡，這標志著邁向通用 DNA 計算的關(guān)鍵一步。

DNA 計算機的工作原理

在生物學中，DNA 是由四種不同的分子（稱為堿基）組成的鏈構(gòu)成，這四種分子包括腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鳥嘌呤，它們的縮寫分別為 A、T、C 和 G。

與之對應的，在電子學中，數(shù)據(jù)通常以一系列 0 和 1 進行編碼。yiner 在 DNA 計算中，數(shù)字對 00、01、10 和 11 可以編碼為 A、T、C 和 G。

當具有特殊設計序列的 DNA 分子彼此混合時，它們可以結(jié)合在一起并以某種方式分離，從而可以充當邏輯門（執(zhí)行與、或、非等邏輯運算）。

一直以來，DNA 計算面臨的一個主要問題是開發(fā)可編程邏輯門陣列。大多數(shù) DNA 計算機被設計為僅執(zhí)行特定算法或有限數(shù)量的計算任務。

受硅基 FPGA 的啟發(fā)，本文開發(fā)了一種高度可擴展的、基于 DNA 的可編程門陣列（DPGA），其采用通用單鏈 DNA 寡核苷酸作為均勻傳輸信號（DNA–UTS）。

DPGA 編程工作流程示意圖

作為電子集成電路指令的模擬，該研究建立了一個包含大約 1000 條指令（超過 2000 個寡核苷酸）的分子指令集，從而定義了 DPGA 上的所有合法線路。

DPGA 的操作是基于沿著程序配置的路徑在門和 DPGA 之間接收和發(fā)送 DNA-UTS。為了避免 DPGA 之間的串擾，本文進一步設計了一個 DNA 折紙寄存器來指導級聯(lián) DPGA 的異步計算處理。與電子對應物類似，從上游 DPGA 計算出的中間值通過 DNA 鏈位移寫入 DNA 折紙寄存器，然后傳輸?shù)较掠?DPGA。

設計中，本文還采用雙軌輸入 / 輸出端口的雙軌邏輯門特性，從而允許代表高低信號的兩條 DNA 鏈同時通過，實現(xiàn) DPGA。

統(tǒng)一的雙軌計算單元，邏輯門控 DNA-UTS 傳輸

接下來該研究探討了 DNA-UTS 是否可以連接門內(nèi)和 DPGA 間傳輸來實現(xiàn)計算電路，包括輸入端口到門、門到門、門到輸出端口（圖 3a）。

在與 DNA-UTS 建立 DPGA 接線后，該研究接下來探索了用于多任務操作的 DPGA 重新配置，如圖 4 所示。

DNA 計算的應用前景及技術(shù)挑戰(zhàn)

DNA 計算面臨的一個關(guān)鍵問題是 DNA 分子如何能夠在任何方向上流動，這使得將邏輯門組合在一起以按編程序列執(zhí)行計算變得頗具挑戰(zhàn)性。

為了克服這個問題，研究者構(gòu)建了 DNA 折紙技術(shù)。通過設計正確的 DNA 序列，讓得到的 floppy 鏈自身粘在一起，彎曲成幾乎任何想要的 2D 或 3D 形狀。他們制作了 DNA 折紙寄存器，作為一種引導計算機內(nèi)部數(shù)據(jù)流和指令的設備，它有助于控制 DNA 分子的隨機碰撞。

DNA 折紙寄存器。

對于這一新型 DNA 計算機，寡核苷酸或 DNA 短片段在試管中移動，就像電子在常規(guī)計算機內(nèi)穿梭一樣。如前文所述，研究者使用由 30 個邏輯門、約 500 個 DNA 鏈組成的一個 DNA 計算機來精確求平方根。他們還用這個 DNA 計算機來識別三種與腎癌相關(guān)的遺傳分子，當給它 18 個患病和 5 個健康樣本時，大約可以在兩小時內(nèi)正確檢測并分類出來。

不過研究者強調(diào)，DNA 計算機不會在傳統(tǒng)任務中取代常規(guī)計算機。畢竟，DNA 計算機光在計算上就要花費數(shù)小時。DNA 計算機的編程和運行還需要手動操作，這有點像早期可編程的通用電子計算機 ENIAC。研究者正致力于通過結(jié)合分子反應與電控液體轉(zhuǎn)移，實現(xiàn) DNA 計算的自動化。

研究者表示，下一步希望用 DNA 計算機來執(zhí)行一些復雜的算法。未來，DNA 計算機將在生物醫(yī)藥應用領(lǐng)域發(fā)揮作用，比如細胞編程和分子診斷。