新型液体计算机可运行超过1000亿个不同的电路

根据发表在《自然》杂志上的一项新研究，这可能是第一台可编程 DNA 计算机，能够运行数十亿个不同的电路。创造这种液体机器的中国科学家表示，它可以解决数学问题，并且有一天可能会用于诊断疾病。

普通计算机依赖于硅微芯片，而 DNA 计算机则依赖于大自然数十亿年来用来编码生命蓝图的分子。DNA 计算使用实验室操作来执行计算，以 DNA 链形式的数据作为输入和输出。

与常规计算相比，DNA 计算可能具有的一个潜在优势是它可以存储的数据密度——理论上，DNA 每立方毫米最多可以存储 1 艾字节，即 10 亿千兆字节。此外，一滴水可以容纳数万亿个 DNA 分子，这表明 DNA 计算能够并行执行大量计算，同时只需要很少的能量。

DNA 计算机如何工作

DNA 由四种不同的分子（称为碱基）组成的链组成：腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤，缩写为 A、T、C 和 G。在电子学中，数据通常以一系列 0 和 1 进行编码。在 DNA 计算中，数字对 00、01、10 和 11 可以编码为 A、T、C 和 G。

DNA 计算通常根据碱基彼此结合的特定方式进行计算。腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，胞嘧啶与鸟嘌呤配对；例如，由 ATCG 组成的短链将与 TAGC 结合，而不是与其他序列结合。

当具有特殊设计序列的 DNA 分子彼此混合时，它们可以结合在一起并以某种方式分离，从而使它们充当逻辑门（执行 AND、OR 和 NOT 等逻辑运算的设备）。逻辑门是普通计算机核心数字电路的构建模块。

DNA 计算面临的一个主要问题是开发可编程逻辑门阵列。大多数 DNA 计算机被设计为仅执行特定算法或有限数量的计算任务。相比之下，普通计算机是通用机器，运行可帮助其执行许多任务的软件。

「我们的团队多年来一直在 DNA 计算领域工作，」该研究的合著者、上海交通大学的分子工程师王菲说道。「在工作过程中，我们逐渐意识到现有的 DNA 电路设计流程是针对特定应用的。我们总是需要为一个新功能设计一组分子，这既耗时又对非专家不友好，限制了 DNA 计算的发展和应用。」

现在，王菲和他的同事们已经创建了基于 DNA 的可编程门阵列，用于通用 DNA 计算。他们表示，他们可以对单个阵列进行编程，以实现超过 1000 亿个不同的电路。

DNA 计算的技术挑战

DNA 计算面临的一个关键问题是 DNA 分子如何能够在基本上任何方向上流动。这使得将逻辑门组合在一起以按编程序列执行计算变得具有挑战性。

为了克服这个问题，研究人员构建了所谓的 DNA 折纸技术。通过设计正确的 DNA 序列，人们可以使所得的软盘链粘在自身上并弯曲成几乎任何人们想要的 2-D 或 3-D 形状。（这种 DNA 折纸折叠并保持在一起，同样是因为每个 DNA 碱基如何与特定的伙伴结合。）

科学家们制作了可以像寄存器一样工作的 DNA 折纸——引导计算机内数据和指令流的设备。这些有助于控制 DNA 分子本质上的随机碰撞。

在新型 DNA 计算机中，寡核苷酸或 DNA 短片段在试管中移动，就像电子在普通计算机内穿梭一样。在实验中，研究人员使用由 30 个逻辑门和约 500 条 DNA 链组成的 DNA 计算机来精确求平方根。他们还用它来识别三种与肾癌相关的遗传分子——当给它 18 个患病样本和 5 个健康样本时，它在大约两个小时内正确检测并报告了哪些是哪个。

研究人员强调，DNA 计算机不会在传统任务中取代普通计算机。一方面，新设备需要几个小时才能进行计算。

尽管如此，王菲表示，新的 DNA 计算机「将在生物医学应用中发挥作用，例如细胞编程和分子诊断。」由于 DNA 计算机使用 DNA 作为输入和输出材料，因此人们可以将它们设计为通过释放一条 DNA 链来响应它们检测到的基因，而这反过来又会产生生物效应。王菲表示，DNA 计算机可能会使用编程细胞来响应污染物以进行环境监测，或响应与癌症相关的分子以进行疾病治疗。

科学家们指出的一个弱点是，这些 DNA 计算机的编程和运行需要手动操作，「有点像早期可编程电子通用计算机 ENIAC 的人类程序员，」王菲说。「我们现在正致力于通过将分子反应与电控液体转移相结合来实现 DNA 计算的自动化。」

王菲表示，研究人员下一步希望用他们的新设备执行一些复杂的算法，「以展示 DNA 计算的优势」