微軟研發DNA分子計算機——為治愈癌症邁出堅實一步

微軟取得DNA分子計算機技術突破

大幅提升 DNA 分子運算能力

實時檢測、監控細胞的基因突變將成為可能

科學期刊《Nature Nanotechnology》上刊出了一篇名為“一種用於快速模塊化DNA計算的局部空間結構”（A spatially localized architecture for fast and modular DNA computing）的論文，作者包括華盛頓大學博士後研究員 Gourab Chatterjee、微軟生物計算組組長 Andrew Phillips 和微軟科學家Neil Dalchau等人。

這篇論文介紹的內容是微軟與華盛頓大學的專家團隊合作研發的可以大幅提升 DNA 分子運算的研究成果，這將推動利用 DNA 分子運算對體內基因突變、癌症檢測及監控的發展腳步。研究團隊用實驗證明，新型的 DNA 計算機僅用了七分鍾就完成了之前版本的DNA計算機需要四個小時才完成的複雜計算。

DNA分子計算機是一種生物形式的計算機，傳統計算意義上的“加”、“減”操作變成了化學性質的切割和粘貼、插入和刪除，可以存儲海量數據並進行前所未有地複雜計算。

微軟會在 DNA 計算領域取得突破並非一朝之功，背後是其科學家團隊為攻破癌症難題所做的多年研究。醫學家用試管和燒杯研究病症，而微軟的科學家、工程師們用的則是算法和計算機，並試圖運用橫跨計算機科學與醫學的研究方式攻破人類麵臨的最複雜、最致命的病症——癌症。

微軟英國劍橋研究院高級研究員、Jasmin Fisher 表示，他們試圖改變生物學傳統的研究方式。微軟的研究團隊結合機器學習、自然語言處理技術和計算機視覺等技術，為醫學家開發了解癌症發展情況以及選擇最適合治療方案的算法。

微軟全球資深副總裁、卡內基·梅隆大學計算機科學係主任周以真教授表示，微軟的科學家團隊確定了兩種針對癌症的基本研究方法，第一種方法是計算驅動，即把癌症以及生理變化過程看作是一種信息處理係統，用編程語言和模型檢測器對病理的變化流程進行建模和推理。

第二種方法是數據驅動，即運用機器學習技術對大量的生物病理數據進行分析，並不斷研發各種分析工具來觀察和治療癌症。

經過生物學家和計算機科學家的通力合作，微軟認識到，癌症並不是隻治療發病的器官，如腦癌就治療大腦，肺癌就治療肺。而是應該從引發癌症的基因入手，對細胞進行編程，使計算驅動和數據驅動兩種方法在DNA分子計算中得到融合。

作為微軟的科學家和生物學家 Jasmin Fisher 和她的團隊認為，如果可以知道是什麼因素觸發了正常細胞變成癌細胞，人們就可以控製和修複它，癌症也就不再是問題了。她的目標是開發一個描述細胞不正常行為的程序並與癌細胞對比，以找出改正不正常行為的方法。

為此，Fisher和她的團隊正在研究的一種名為生物模型分析器（Bio Model Analyzer，BMA）的工具，該工具基於雲計算，可以讓醫學家看到導致癌症的人體中數百萬基因和蛋白質之間的互動，並快速製定最適合且危害最小的方個性化治療方案。

但是，人體中存在太多相互影響的變量以及海量的數據信息，需要開發前所未有的強大計算模型，同時建立極為複雜的模型，並未尋找異常情況運行所有可能的解決方案。

以矽為介質的電腦芯片無法提供該工具所需的龐大數據存儲和分析需求，微軟隻能選擇其他的計算平台，而這個平台不在別處，就在我們的身體中，一克 DNA 分子中包含數十億的遺傳信息，一毫克的分子就能裝下美國國會圖書館的所有書籍。2016年，微軟聯合華盛頓大學的科學家研究利用 DNA 來存儲數據，並成功在一段 DNA 片段中存儲了 200MB 的數據。

微軟生物計算組組長 Andrew Phillips 當時表示，他們正努力開發某種分子計算機，可以放到細胞內監測基因的突變。如果傳感器檢測到疾病的發生，會啟動應對措施對其進行治療。

時至今日，微軟和華盛頓大學在DNA分子計算領域取得了突破性的成果，研究團隊表示，以 DNA 序列作為運算對象建立的 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，以及確定癌細胞等病變細胞的功能。

下一步，他們希望利用 DNA 計算邏輯的運算判斷能力開發出能智能檢測的 DNA 計算機設備，並使得基於 BMA 工具個性化治療方案成為現實。

Andrew Phillips 表示，雖然這次的進步讓人振奮，但目前距離成熟的 DNA 計算機仍有很大距離，他們的研究團隊還將對DNA分子鏈的創造和挑選等難題發起挑戰。