微軟創造出全新DNA生物計算機, 邏輯與生命實現完美交融

我們聽說過超級計算機、量子計算機，但是，有一種特殊的計算機同樣是未來計算機發展的一大方向，那就是DNA計算機。

DNA計算機是一種生物形式的計算機。在DNA計算機內，計算不再是物理性質的符號變換，而是化學性質的符號變換，傳統意義上的“加”、“減”操作也變成了化學性質的切割和粘貼、插入和刪除。

許多年來，有一家科技巨頭一直對DNA分子計算機的前景表現出濃厚的興趣，那就是微軟。

就在 2016 年，微軟的研究者們就創下 DNA 數據存儲量的記錄（該記錄今年被哈佛團隊打破）。如今，微軟又把研究目標轉向 DNA 分子計算機的另一個重要分支——數據運算。

微軟與華盛頓大學的研究小組聯手找到了大幅提升 DNA 分子運算的方法，這將加快人們利用DNA計算機對體內基因突變或癌症檢測和監控的腳步。經過實驗證明，新型的 DNA 計算機僅用了七分鍾就完成運行包含3個輸入鏈的與門，而之前的設備需要四個小時完成同樣的工作量。

研究成果發布在 7 月 24 日的《自然-納米技術》（Nature Nanotechnology）上。

圖丨本次論文標題

實際上，DNA 計算機由 DNA 分子電路組成，“輸入”的是細胞質中的RNA、蛋白質以及其他化學物質，“輸出”的則是很容易辨別的分子信號。與傳統的計算機相同，DNA分子電路上也有“與”“或”“非”邏輯門（邏輯門是集成電路的基本組件）。

圖丨計算機中的各種邏輯門

該組研究人員在論文中稱，他們利用 DNA 折紙術形成 DNA 發卡結構（hairpin）的空間排列組織，以構建排列DNA分子邏輯門和信號傳輸線。所謂發卡結構，就是如果非子鏈和母鏈的兩條DNA鏈堿基互補配對,就會出現有部分區域無法配對而突起的部位,也就是我們所說的發卡結構。它讓DNA分子間的排列更加有序，更加模塊化，同時每個DNA分子也相對“固定”了下來，就像固定的分子電路板一樣。

圖丨DNA多米諾電路設計過程

與平日裏的計算機不同，這些納米層麵上的計算機電路是由人造 DNA 構成的，被稱為“DNA 多米諾電路”——由不同的 DNA 鏈組成。這種 DNA 分子電路在工作過程中，電路上相鄰的 DNA 鏈通過鏈上的發卡結構部位連接起來，並且一個一個接著相互反應作用下去，就像多米諾骨牌倒塌一樣，直到反應完成，得到目標DNA鏈。

圖丨信息在發卡DNA鏈間的傳輸

其結果顯示，無論是在不同長度還是不同方向的傳輸線上，這種結構的DNA分子電路都具備良好的信號傳播能力。另外，邏輯門通過模塊化的方式可以組合成常規的電路模式，同樣也大大提高了DNA分子間的信息傳輸速度和穩定性。

圖丨微軟公司生物計算組組長Andrew Phillips

微軟公司生物計算組組長 Andrew Phillips 在采訪中對研究細節進行了進一步解釋，“在一個設備中，組成分子在空間上被緊密的排列在一起，而對於我們的研究來說，作為組成分子的DNA分子鏈通過折紙技術被相對固定在整個係統的空間結構上，看起來就像分子電路板。”

這次的研究成果與過去的DNA計算機有很大的不同。之前的大多數DNA計算機是把DNA鏈溶解於化學溶液中——這麼做的缺點是，DNA分子可以在化學液中隨意遊走，容易產生連接或者發生反應，因此影響工作效率。

Phillips 介紹了新型 DNA 分子計算機的改進：“而對於我們來說，構成設備的 DNA 分子被緊密的排列在一起，同時，它們的位置也被 DNA 分子電路板所固定——這樣一來，它們會首先與相鄰的 DNA 分子反應，而不是隨意遊走到其他地方與其他位置的 DNA 分子接觸。”

“這種方法有效的減少了 DNA 分子間的相互影響。盡管我們的設備還依賴擴散原理來運作，但由於大部分分子都在 DNA 空間結構上被固定，四處遊走的是傳遞信息的燃料鏈，運行速度還是比原來大大提高。”

如此一來，這些設備會有很高的伸縮性，因為新型的 DNA 分子計算機可以進行自組裝，也就是說分子可以自我組織排布。對此，Phillips表示， “DNA分子鏈會在DNA分子電路板上結為一個整體，而我們會利用它的自組裝能力來校準DNA分子的位置。”

對研究者們來說，下一步的研究是如何擴展DNA分子電路板的大小，但這需要更先進的DNA折紙技術。

圖 | DNA之所以可以按需求被折疊、粘貼，還是要歸功於它獨特的雙螺旋結構：兩條平行、反向的單鏈之間按照精密的堿基互補原則相連接，A與T，G與C，就像一把鑰匙配一把鎖，具有唯一性和高度特異性（A為腺嘌呤，T為胸腺嘧啶，G為鳥嘌呤，C為胞嘧啶）。這些堿基的化學組成使得設計好ATGC排序的兩條DNA單鏈，能在茫茫鏈海中找到彼此，緊緊結合，最終組成研究人員想要的形狀。

Phillips還表示，“我們還準備把新型設備與疾病的標誌物（如RNA）等生物標記聯係起來，這樣一來，計算機邏輯可以被用於精確診斷人體內的病毒性疾病和癌症。起初是從血液中檢測，但隨著科技的發展，我們將實現從任意活細胞中檢測疾病的設想。”

以編碼的DNA序列為運算對象建立的DNA計算機，具有實時探測和監控基因突變等細胞內一切活動的特征信息，確定癌細胞等病變細胞等功能 。未來，科學家更是希望，利用DNA計算邏輯的運算判斷能力開發出“能檢測”、“會思考”的智能DNA計算機設備，使得開發個性化的“智能藥物”將成為現實。

對此，基因編輯領域學者、斯坦福大學生物工程係和化學與係統生物學係助理教授亓磊近期也表示，基因編輯有望讓人體成為一台基因可被讀取、預測和改寫的“DNA計算機”，它不僅能夠充當監控設備，發現潛在的致病變化，還可以在人體內合成所需的藥物，治療癌症、心髒病、動脈硬化等各種疑難病症，甚至在恢複盲人視覺方麵也將大顯身手。

盡管微軟的此次成果為DNA 計算機邁出了很大一步，但目前 DNA 計算機仍然處於非常早期的研究階段。由於受目前生物技術水平的限製，DNA計算過程中，前期DNA分子鏈的創造和後期DNA分子鏈的挑選，要耗費相當大的工作量。

比如，阿德勒曼的“試管電腦”在幾秒鍾內就得出結果，但是他卻花掉數周的時間去挑選正確的結果。另外，在數學領域中著名的旅行推銷員問題（TSP問題）中，如果實驗中城市數目增加到200個，那麼計算所需的DNA重量將會超過地球的重量。而且數以億計的DNA分子非常複雜，在反應過程中很容易發生變質和損傷，甚至試管壁吸附殘留都可能發生致命錯誤。

因此，DNA計算機真正進入現實生活尚需時日，我們距離建造一台成熟的DNA計算機也還有很長的路要走。