第一台DNA可编程计算机

可编程DNA计算机上的实验协议和排序算法的实现

长期以来，科学家一直在尝试将信息存储在DNA中并处理该信息。 例如，华盛顿大学和微软公司的科学家最近建造了“世界上第一个DNA温彻斯特” （ 照片 ）。 该设计首次无需人工干预即可提供DNA存储中信息的记录和读取。 鉴于DNA可以以2.2 PB / g的密度记录信息，这是一个非常重要的成就。 DNA是一个紧凑的容器，其记录密度是现有载体的数千倍。

但是，所有现有的DNA系统都有一个问题：所有这些都是独特的专有开发，完全缺乏灵活性。 如果我们将其与硅技术进行比较，那么每组研究人员将从头开始开发一种新的计算机体系结构，为此您需要编写新的软件。 但是，由于加州大学戴维斯分校，加利福尼亚理工学院和梅努斯大学开发的第一台可编程DNA计算机，情况可能会发生变化。

2019年3月20日发表在《自然》杂志上的科学文章中描述了第一台DNA可编程计算机。 作者表明，借助简单的触发器，同一组基本的DNA分子就能实现许多不同的算法。 尽管这项研究纯粹是实验室实验，但将来可以使用可编程分子算法来对已经成功将药物递送至癌细胞的 DNA机器人进行编程。

肯特大学实验生物物理学的助理教授Torsten-Lars Schmidt 说： “这是该领域的标志性作品之一。” “他们曾经演示过算法自组装，但并没有达到那么复杂的程度。”

在电子计算机中，位是信息的二进制单位。 它们代表基本设备的离散物理状态，例如，是否存在电流。 这些位，或者说电信号，通过由逻辑元件组成的电路，这些逻辑元件对一个或多个输入位执行操作，并产生一位作为输出。

一遍又一遍地将这些简单的构建块组合在一起，计算机可以运行非常复杂的程序。 DNA计算的想法是用化学键代替电信号，用核酸代替硅以创建生物分子软件。


完整的6位IBC逻辑电路（迭代布尔电路）的体系结构和实际实现的抽象层次结构

根据加州理工学院的科学家埃里克·温弗瑞（Eric Winfrey）以及该文章的合著者所说，分子算法利用了处理DNA中信息的自然可能性，但DNA的计算不是按照自然的方法进行的，而是根据人类编写的程序进行的。

在过去的20年中，利用分子算法进行了几次成功的实验，例如，打井字游戏或组装各种形状的分子。 在每种情况下，都需要仔细开发DNA序列，以执行一种可以生成DNA结构的特定算法。 在这种情况下，不同之处在于研究人员开发了一个系统，在该系统中，可以命令相同的基本DNA片段来创建完全不同的算法 -因此，可以获得完全不同的结果。

该过程从DNA折纸技术开始，即将DNA的长链折叠成所需的形状。 折叠后的切片就像种子一样运行算法组装线。 无论采用哪种算法，种子实际上都保持不变。 对于每个实验，仅按几个顺序对其进行了很小的更改。


重新编程逻辑电路

创建“种子”后，将其与数百条其他DNA链（称为DNA切片）一起添加到溶液中。 科学家已经开发了其中的355种瓷砖。 每个都有一个独特的含氮碱基排列。 因此，对于每种算法，研究人员只需选择一组不同的起始图块。 由于这些DNA片段是在组装过程中连接在一起的，因此它们形成了一个电路，该电路在“种子”提供的输入位上执行选定的分子算法。

研究人员使用该系统开发并测试了21种算法，用于执行任务，例如识别三分法， 选择领导者 ，生成模式以及从0到63进行计数。所有这些算法都是使用相同355个DNA图块的不同组合实现的。

当然，通过将DNA片段放入试管来编写代码并不容易，但是如果该过程是自动化的，那么未来的分子程序员甚至不必考虑生物力学，因为当今的程序员无需了解晶体管的物理原理就可以编写好的程序。