可普遍編程DNA計算機證明化學編程指日可待

單細胞利用本身的 DNA 進行分裂、繁殖和分化，從而產生一個發育徹底的生物體，這可謂是化學計算中最巧妙神祕的行爲。本週，《天然》(Nature)雜誌發表研究報告稱，計算機科學家建造了第一臺可普遍編程的 DNA 計算機，朝着利用化學計算的路途上邁出了相當重要的一步。
該系統利用 DNA 編寫的指令來執行不一樣的 6 位程序。之前的 DNA 計算機本質上都是定製的系統，只可以解決特定的問題。但如今，研究人員用新系統來執行 21 個測試程序。在可編程物質中，化學軟件會自動指導具備複雜、可編程納米材料的構建。雖然僅由 DNA 和鹽水組成的新系統自己不足以成爲科技應用，可是，它讓自組裝可編程物質的發展更進了一步。這項研究主要在加州理工學院(Caltech)進行。研究負責人、計算機科學和生物工程學教授埃裏克·溫弗裏(Erik Winfree)解釋說，新系統的創造者「試圖找出將計算行爲嵌入化學的方式，從而控制化學的行爲」。

DNA 會造成一個由兩條長鏈組成的梯狀結構，每條鏈都有四種化學物質。這臺計算機的原理就在於:單鏈 DNA 會因化學序列的互補性和其餘 DNA 鏈配對。加州理工學院的研究小組將他們的 DNA 序列設計成相似於2-輸入/2-輸出布爾邏輯門。這些門中的五個被鏈接成一個層，用 6 個輸入和 6 個輸出執行所需的計算。可是僅僅一層不能完成計算。相反，一系列功能相同的層，其中一個層的輸出鏈接到另外一個層的輸入，迭代地執行計算，直到獲得一個答案。咱們能夠這麼理解：隨着一層又一層的鏈接，算法最後編織了一個包含計算過程的納米級圍巾。

溫弗裏（Winfree）和他的團隊把這些電路抽象地想象成四方形的瓦片，瓦片兩邊都有固定裝置，只容許它們鏈接到帶有互補裝置的瓦片上，就像拼圖。計算機的全套指令由 355 種不一樣類型的瓦片組成。實際上，每塊瓦片上並不是 1 條 DNA 單鏈而是 4 條，這樣就增長了足夠的餘地來克服意想不到的錯誤。

爲了使計算有序進行（本質上是合成一種能夠計算的晶體），研究人員須要某種既能夠做爲起點，又能承載 DNA 進行組裝的結構。達米安·伍茲(Damien Woods)曾從事 DNA 計算機研究，如今就任於愛爾蘭的梅努斯大學。他說，「咱們想讓 DNA 有序地鏈接在一塊兒造成迴路，而不是像在溶液裏同樣隨機粘在一塊兒。這種 DNA 使用了一種叫作 DNA 摺紙的技術，設計成一個長 150 納米，寬 20 納米的納米管。計算晶體在納米管上進行組裝，方式相似於冰糖在裹着糖衣的繩子上結晶。

想要在這臺 6 位 DNA 計算機上運行一個程序，首先須要一個自定義編譯器。「大量的想法和科學會投入到編譯器中，」伍茲如是說道。它容許研究人員編寫任何他們想要的軟件算法，並經過各類抽象層次將算法轉換爲:邏輯到塊、塊到糾錯子塊、子塊到 DNA 序列等等。最後，它產生了一個指南，即指導 DNA 序列添加的內容、時間、以及溫度。DNA 摺紙納米管須要一到兩個小時的時間來合成，而完成計算則須要一天左右的時間。(溫弗裏指出，速度歷來都不是重點。)

　　對於 Winfree 來講，這一結果是其職業生涯的一大進步。「對我來講，這是一段至關長的路要走，」他說。大約 25 年前，當他仍是一名研究生時，他對數學瓦片理論和理論計算機科學之間的奇妙聯繫產生了興趣，他想知道這種聯繫是否能夠擴展到描述晶體生長的模型上。「這讓我很是好奇，僞晶體是否會在生長過程當中進行計算。「如今咱們知道他們能夠。