DNA计算机显示可编程化学机器是可能的

2019-07-03 16:29:26

化学计算中最精巧,最神秘的行为可能就是当一个细胞利用其DNA进行分裂,繁殖和专门化以产生一个完全发育的生物体时。在研究报道,本周在自然,计算机科学家迈出了通过构建第一广泛的可编程利用化学计算的潜力小而重要的一步DNA计算机。

系统使用一组用DNA编写的指令执行各种6位程序。研究人员使用它来执行21个测试程序,尽管该系统具有更多功能。以前的DNA计算机方案基本上是定制系统,只能解决它们设计的单一问题。

新的系统,它是由刚刚DNA和盐的水,是不太可能找到一个技术应用本身。但这是朝着开发自组装可编程物质迈出的一步,化学软件可以自动引导具有复杂的可编程纳米级特征的材料构建。它的创造者“试图理解如何在化学中嵌入计算行为以控制化学的作用,” 负责该研究的计算机科学和生物工程学教授Erik Winfree解释说,该研究 主要在加州理工学院进行。

DNA形成梯状结构,由两条长链组成。每条链是四种化学物质的序列。计算机取决于单链DNA将试图与具有与其自身互补的一系列化学物质的其他链配对的事实。加州理工学院的团队设计了他们的DNA序列,就像2输入/ 2输出布尔逻辑门。这些门中的五个连接形成一层,用6个输入和6个输出执行所需的计算。但单独一层无法完成计算。相反,一系列功能相同的层,其中一个的输出连接到另一个的输入,迭代地执行计算,直到它收敛于答案。换句话说,算法逐层连接进行,

Winfree和他的团队抽象地将这些电路构思为方形瓷砖,其侧面有固定装置,只允许它们连接到带有互补夹具的瓷砖,就好像瓷砖是拼图一样。计算机的完整说明书包含355种不同类型的图块。实际上,每个瓷砖由四条单链DNA而不是一条DNA组成,从而增加了足够的冗余以克服许多错误。

为了使计算以有序的方式进行 - 基本上正在增长计算的晶体 - 研究人员需要一些可以作为DNA可以组装的起点和结构的东西。“我们希望DNA能够粘在一起进行循环,而不是[在一起]随机解决问题” Damien Woods说,他曾在DNA计算机上工作,目前在爱尔兰的梅努斯大学工作。

答案更多的是DNA,大卫·多蒂解释说,他也曾在加州大学戴维斯分校工作。这种DNA利用了一种名为DNA折纸的材料技术,它被设计成将自身折叠成150纳米长,20纳米宽的纳米管。纳米管的组分充当计算晶体可以组装的一种种子,类似于冰糖在糖衣串末端结晶的方式。

在这个6位DNA计算机上运行程序从一个定制的编译器开始。“大量的思想和科学进入了编译器,”伍兹说。它允许研究人员编写他们想要的任何软件算法并通过各种抽象级别转换该算法:逻辑到瓦片,瓦片到纠错子瓦片,子瓦片到DNA序列等等。最后,它产生的基本上是添加DNA序列,何时添加它们以及在什么温度下的配方。DNA折纸纳米管生长需要一到两个小时,而计算完成需要一天左右的时间。(Winfree指出,速度永远不是重点。)

折纸结构是阅读答案的关键。它的DNA序列被设计成在计算中比特等于1的任何地方,蛋白质标签都会附着。纳米管还拉开以形成易于检查的矩形。在原子力显微镜下,您可以将计算的进度读取到以蛋白质标记位表示的最终结果。

对于Winfree来说,这个结果是完整职业生涯中迈出的一大步。“对我来说,这已经是一个漫长的过程,”他说。大约25年前,当他对数学平铺理论与理论计算机科学之间的奇怪联系感兴趣时,他的兴趣引发了研究生的兴趣,他想知道它是否扩展到描述晶体生长的模型。“如果伪晶体随着它们的增长而进行计算,这让我非常好奇。”现在我们知道它们可以。