化學(xué)計算中最精巧，最神秘的行為可能就是當一個(gè)細胞利用其DNA進(jìn)行分裂，繁殖和專(zhuān)門(mén)化以產(chǎn)生一個(gè)完全發(fā)育的生物體時(shí)。在研究報道，本周在自然，計算機科學(xué)家邁出了通過(guò)構建第一廣泛的可編程利用化學(xué)計算的潛力小而重要的一步DNA計算機。

系統使用一組用DNA編寫(xiě)的指令執行各種6位程序。研究人員使用它來(lái)執行21個(gè)測試程序，盡管該系統具有更多功能。以前的DNA計算機方案基本上是定制系統，只能解決它們設計的單一問(wèn)題。

新的系統，它是由剛剛DNA和鹽的水，是不太可能找到一個(gè)技術(shù)應用本身。但這是朝著(zhù)開(kāi)發(fā)自組裝可編程物質(zhì)邁出的一步，化學(xué)軟件可以自動(dòng)引導具有復雜的可編程納米級特征的材料構建。它的創(chuàng )造者“試圖理解如何在化學(xué)中嵌入計算行為以控制化學(xué)的作用，” 負責該研究的計算機科學(xué)和生物工程學(xué)教授Erik Winfree解釋說(shuō)，該研究 主要在加州理工學(xué)院進(jìn)行。

DNA形成梯狀結構，由兩條長(cháng)鏈組成。每條鏈是四種化學(xué)物質(zhì)的序列。計算機取決于單鏈DNA將試圖與具有與其自身互補的一系列化學(xué)物質(zhì)的其他鏈配對的事實(shí)。加州理工學(xué)院的團隊設計了他們的DNA序列，就像2輸入/ 2輸出布爾邏輯門(mén)。這些門(mén)中的五個(gè)連接形成一層，用6個(gè)輸入和6個(gè)輸出執行所需的計算。但單獨一層無(wú)法完成計算。相反，一系列功能相同的層，其中一個(gè)的輸出連接到另一個(gè)的輸入，迭代地執行計算，直到它收斂于答案。換句話(huà)說(shuō)，算法逐層連接進(jìn)行，

Winfree和他的團隊抽象地將這些電路構思為方形瓷磚，其側面有固定裝置，只允許它們連接到帶有互補夾具的瓷磚，就好像瓷磚是拼圖一樣。計算機的完整說(shuō)明書(shū)包含355種不同類(lèi)型的圖塊。實(shí)際上，每個(gè)瓷磚由四條單鏈DNA而不是一條DNA組成，從而增加了足夠的冗余以克服許多錯誤。

為了使計算以有序的方式進(jìn)行 - 基本上正在增長(cháng)計算的晶體 - 研究人員需要一些可以作為DNA可以組裝的起點(diǎn)和結構的東西。“我們希望DNA能夠粘在一起進(jìn)行循環(huán)，而不是[在一起]隨機解決問(wèn)題” Damien Woods說(shuō)，他曾在DNA計算機上工作，目前在愛(ài)爾蘭的梅努斯大學(xué)工作。

答案更多的是DNA，大衛·多蒂解釋說(shuō)，他也曾在加州大學(xué)戴維斯分校工作。這種DNA利用了一種名為DNA折紙的材料技術(shù)，它被設計成將自身折疊成150納米長(cháng)，20納米寬的納米管。納米管的組分充當計算晶體可以組裝的一種種子，類(lèi)似于冰糖在糖衣串末端結晶的方式。

在這個(gè)6位DNA計算機上運行程序從一個(gè)定制的編譯器開(kāi)始。“大量的思想和科學(xué)進(jìn)入了編譯器，”伍茲說(shuō)。它允許研究人員編寫(xiě)他們想要的任何軟件算法并通過(guò)各種抽象級別轉換該算法：邏輯到瓦片，瓦片到糾錯子瓦片，子瓦片到DNA序列等等。最后，它產(chǎn)生的基本上是添加DNA序列，何時(shí)添加它們以及在什么溫度下的配方。DNA折紙納米管生長(cháng)需要一到兩個(gè)小時(shí)，而計算完成需要一天左右的時(shí)間。(Winfree指出，速度永遠不是重點(diǎn)。)

折紙結構是閱讀答案的關(guān)鍵。它的DNA序列被設計成在計算中比特等于1的任何地方，蛋白質(zhì)標簽都會(huì )附著(zhù)。納米管還拉開(kāi)以形成易于檢查的矩形。在原子力顯微鏡下，您可以將計算的進(jìn)度讀取到以蛋白質(zhì)標記位表示的最終結果。

對于Winfree來(lái)說(shuō)，這個(gè)結果是完整職業(yè)生涯中邁出的一大步。“對我來(lái)說(shuō)，這已經(jīng)是一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程，”他說(shuō)。大約25年前，當他對數學(xué)平鋪理論與理論計算機科學(xué)之間的奇怪聯(lián)系感興趣時(shí)，他的興趣引發(fā)了研究生的興趣，他想知道它是否擴展到描述晶體生長(cháng)的模型。“如果偽晶體隨著(zhù)它們的增長(cháng)而進(jìn)行計算，這讓我非常好奇。”現在我們知道它們可以。