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單細(xì)胞利用自己的 DNA 進(jìn)行分裂、繁殖和分化，從而產(chǎn)生一個(gè)發(fā)育完全的生物體，這可謂是化學(xué)計(jì)算中最巧妙神秘的行為。本周，《自然》(Nature)雜志發(fā)表研究報(bào)告稱，計(jì)算機(jī)科學(xué)家建造了***臺(tái)可廣泛編程的 DNA 計(jì)算機(jī)，朝著利用化學(xué)計(jì)算的路途上邁出了至關(guān)重要的一步。

　　圖片來(lái)自 Erik Winfree/Caltech

　　該系統(tǒng)利用 DNA 編寫的指令來(lái)執(zhí)行不同的 6 位程序。以前的 DNA 計(jì)算機(jī)本質(zhì)上都是定制的系統(tǒng)，只能夠解決特定的問(wèn)題。但現(xiàn)在，研究人員用新系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行 21 個(gè)測(cè)試程序。在可編程物質(zhì)中，化學(xué)軟件會(huì)自動(dòng)指導(dǎo)具有復(fù)雜、可編程納米材料的構(gòu)建。雖然僅由 DNA 和鹽水組成的新系統(tǒng)本身不足以成為科技應(yīng)用，但是，它讓自組裝可編程物質(zhì)的發(fā)展更進(jìn)了一步。這項(xiàng)研究主要在加州理工學(xué)院(Caltech)進(jìn)行。研究負(fù)責(zé)人、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物工程學(xué)教授埃里克·溫弗里(Erik Winfree)解釋說(shuō)，新系統(tǒng)的創(chuàng)造者“試圖找出將計(jì)算行為嵌入化學(xué)的方式，從而控制化學(xué)的行為”。

　　DNA 會(huì)形成一個(gè)由兩條長(zhǎng)鏈組成的梯狀結(jié)構(gòu)，每條鏈都有四種化學(xué)物質(zhì)。這臺(tái)計(jì)算機(jī)的原理就在于:單鏈 DNA 會(huì)因化學(xué)序列的互補(bǔ)性和其他 DNA 鏈配對(duì)。加州理工學(xué)院的研究小組將他們的 DNA 序列設(shè)計(jì)成類似于2-輸入/2-輸出布爾邏輯門。這些門中的五個(gè)被連接成一個(gè)層，用 6 個(gè)輸入和 6 個(gè)輸出執(zhí)行所需的計(jì)算。但是僅僅一層不能完成計(jì)算。相反，一系列功能相同的層，其中一個(gè)層的輸出連接到另一個(gè)層的輸入，迭代地執(zhí)行計(jì)算，直到得到一個(gè)答案。我們可以這么理解：隨著一層又一層的連接，算法***編織了一個(gè)包含計(jì)算過(guò)程的納米級(jí)圍巾。

　　溫弗里（Winfree）和他的團(tuán)隊(duì)把這些電路抽象地想象成四方形的瓦片，瓦片兩邊都有固定裝置，只允許它們連接到帶有互補(bǔ)裝置的瓦片上，就像拼圖。計(jì)算機(jī)的全套指令由 355 種不同類型的瓦片組成。實(shí)際上，每塊瓦片上并非 1 條 DNA 單鏈而是 4 條，這樣就增加了足夠的余地來(lái)克服意想不到的錯(cuò)誤。

　　為了使計(jì)算有序進(jìn)行（本質(zhì)上是合成一種可以計(jì)算的晶體），研究人員需要某種既可以作為起點(diǎn)，又能承載 DNA 進(jìn)行組裝的結(jié)構(gòu)。達(dá)米安·伍茲(Damien Woods)曾從事 DNA 計(jì)算機(jī)研究，現(xiàn)在就職于愛(ài)爾蘭的梅努斯大學(xué)。他說(shuō)，“我們想讓 DNA 有序地連接在一起形成回路，而不是像在溶液里一樣隨機(jī)粘在一起。這種 DNA 使用了一種叫做 DNA 折紙的技術(shù)，設(shè)計(jì)成一個(gè)長(zhǎng) 150 納米，寬 20 納米的納米管。計(jì)算晶體在納米管上進(jìn)行組裝，方式類似于冰糖在裹著糖衣的繩子上結(jié)晶。

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　　圖片來(lái)自 Damien Woods/Maynooth University

　　想要在這臺(tái) 6 位 DNA 計(jì)算機(jī)上運(yùn)行一個(gè)程序，首先需要一個(gè)自定義編譯器。“大量的想法和科學(xué)會(huì)投入到編譯器中，”伍茲如是說(shuō)道。它允許研究人員編寫任何他們想要的軟件算法，并通過(guò)各種抽象層次將算法轉(zhuǎn)換為:邏輯到塊、塊到糾錯(cuò)子塊、子塊到 DNA 序列等等。***，它產(chǎn)生了一個(gè)指南，即指導(dǎo) DNA 序列添加的內(nèi)容、時(shí)間、以及溫度。DNA 折紙納米管需要一到兩個(gè)小時(shí)的時(shí)間來(lái)合成，而完成計(jì)算則需要一天左右的時(shí)間。(溫弗里指出，速度從來(lái)都不是重點(diǎn)。)

　　對(duì)于 Winfree 來(lái)說(shuō)，這一結(jié)果是其職業(yè)生涯的一大進(jìn)步。“對(duì)我來(lái)說(shuō)，這是一段相當(dāng)長(zhǎng)的路要走，”他說(shuō)。大約 25 年前，當(dāng)他還是一名研究生時(shí)，他對(duì)數(shù)學(xué)瓦片理論和理論計(jì)算機(jī)科學(xué)之間的奇妙聯(lián)系產(chǎn)生了興趣，他想知道這種聯(lián)系是否可以擴(kuò)展到描述晶體生長(zhǎng)的模型上。“這讓我非常好奇，偽晶體是否會(huì)在生長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)行計(jì)算。“現(xiàn)在我們知道他們可以。

　　本文編譯自 IEEE Spectrum