DNA分子計算系統：實現演算法自組裝！

導讀

近日，美國加州理工學院的研究人員們設計出能進行可重編程計算的DNA分子，首次實現了所謂的「演算法自組裝」。「演算法自組裝」意味著同一個「硬體」可以經過配置來運行不同的「軟體」。

背景

如今，隨著後摩爾時代到來，傳統電子計算機性能的進一步改善正面臨嚴峻挑戰。因此，科學家們希望通過一系列創新技術，探索新一代的計算機。這些新技術包括：自旋電子學、谷電子學、量子力學、DNA分子等。今天，讓我們來重點關注的是DNA計算機。

DNA，即脫氧核糖核酸，是染色體主要組成成分，也是主要的遺傳物質。巨大的DNA 分子具有獨特的雙螺旋結構。它可以組成遺傳指令，引導生物的發育與生命機能運作。DNA分子的雙螺旋長鏈上布滿了核苷酸，其上有四種鹼基：腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。核苷酸的不同排列組合，可以表達出生物體各種細胞所擁有的大量信息。

（圖片來源：維基百科）

然而，DNA不僅可以存儲遺傳信息，還可以用於計算。DNA計算，是生物學、遺傳學、化學、數學、物理、計算機科學、控制論和智能科學等學科交叉融合的新研究領域。

DNA計算的基本原理可以簡單表述為：利用DNA編碼信息的特點，先合成具有特定序列的DNA分子鏈，代表需要求解的問題；然後，在生物酶的作用下（相當於減乘除運算），用DNA分子鏈的可控生化反應的過程來代表求解問題的過程；最後再利用分子生物技術，例如聚合酶鏈式反應等，得到最終的運算結果。

(圖片來源：麻省理工學院)

DNA計算機，就是基於DNA計算實現的。起初，DNA計算需要將DNA溶液放置在試管中來實現，所以這種計算機會由一堆裝有有機液體的試管組成，因此也稱為「試管計算機」。

(圖片來源：Caltech/Lulu Qian)

與傳統電子計算機相比，DNA計算機有著許多優勢，例如體積小、存儲量大、運算快、能耗低、並行性等。此外，DNA電路還可以在潮濕環境中運行，有利於在血液、湯汁、狹窄的細胞內進行計算。未來，DNA計算機將應用於邏輯研究、密碼破譯、基因編程、疾病防治以及航空航天等領域。

創新

近日，美國加州理工學院（Caltech）的研究人員們設計出能進行可重編程計算的DNA分子，首次實現了所謂的「演算法自組裝」。「演算法自組裝」意味著同一個「硬體」可以經過配置來運行不同的「軟體」。

他們的論文於3月21日發表在《自然（Nature）》雜誌上。在論文中，加州理工學院計算機科學、計算和神經系統、生物工程教授 Erik Winfree 領導的科研團隊展示了，DNA計算是如何通過運行六比特演算法來完成簡單任務的。

DNA計算系統的藝術詮釋(圖片來源：Caltech)

技術

該系統類似一個計算機，但並不是採用晶體管或者二極體，而是採用分子代表六比特的二進位數（例如，011001）作為輸入，計算之後，再作為輸出。其中一個演算法可以判斷輸入中為「1」的比特位的個數是奇數還是偶數，（以上的這個例子是奇數，因為它有三個比特位為「1」）；另外一個演算法可以判斷輸入是否為迴文（順讀和倒讀都一樣）；還有一個演算法是生成隨機數字。

愛爾蘭都柏林梅努斯大學計算機科學系教授、論文兩位領導作者之一的 Damien Woods 表示：「把它們當成納米應用程序。這種無需改變硬體就可以運行任何軟體的能力，讓計算機變得非常有用。我們正在分子中實現這個創意，基本上是通過嵌入一個化學演算法來控制化學過程。」

這個系統通過自組裝的方式工作：小型的特製DNA鏈粘在一起構建出一個邏輯電路，並同步執行電路演算法。這個系統開始是代表輸入的六比特，然後一行一行地增加分子，逐步地運行演算法。現代數字電子計算機採用電路中流過的電流來操控信息；在這裡，DNA鏈的這些行粘在一起執行運算。最終的結果就是，一個試管裝滿了幾十億個完整的演算法，每個演算法就像一條DNA織巾，代表了計算的讀數。每一條「織巾」上的圖案告訴你正在運行的演算法的答案。通過從組成系統的近700條鏈中選擇不同的子集，這個系統能夠被重新編程來運行不同的演算法。

完整的DNA演算法(圖片來源：Winfree Lab/Caltech)

加州大學戴維斯分校計算機科學系助理教授、論文另一位領導作者 David Doty 表示：「儘管被限制在六比特輸入之內，我們還是對設計出的程序的多樣性感到驚訝。當實驗開始的時候，我們只設計出三個程序。可是一旦開始使用這個系統，我們就意識到它有多大的潛力。這種興奮感如同頭一次用計算機編程，我們變得對於這些鏈能做什麼感到強烈的好奇。最後，我們設計並運行了總共21個電路。」

通過實驗的方式，研究人員們展示了用六比特分子演算法完成各種任務。在數學中，他們的電路測試輸入並評估它們是否是3的倍數，執行相等性檢查，直到63。其他的電路則在DNA「織巾」上描繪「圖案」，例如Z字形、雙螺旋結構、不規則間隔的鑽石。同樣，還有一些電路演示了概率性行為，例如隨機遊走，以及通過擲硬幣來獲取公平的50/50隨機選擇的聰明演算法（一開始由計算機先驅約翰·馮·諾伊曼開發）。

價值

在開始這項研究的時候，Woods 和 Doty 是理論計算機科學家，所以他們必須學習一系列「濕實驗室」的新技能，這些技能更多地被生物工程師和生物物理學家使用。Winfree 表示：「當需要進行交叉學科設計的時候，進入這個領域就會遇到顯著的障礙。通過設計能在更高層面重新編程的機器，計算機工程戰勝了這個障礙，所以如今的程序員無需了解晶體管物理。在這項工作中，我們的目標是展示類似的可在更高層面編程的分子系統，所以在未來，分子程序員可以釋放他們的創造力，而無需掌握多個學科。」

Woods 表示：「不同於之前為執行單個計算而特別設計的分子實驗，重新編程系統可以解決不同的問題，簡單到只要選擇不同的試管混合在一起就可以了。我們可以在實驗室的工作台上進行編程。」

儘管相比《自然》期刊論文中提到的那些計算機，DNA計算機可以執行更複雜的計算，但是 Winfree 提醒我們不要期望它取代標準的硅晶元計算機。這不是這項研究的目的。他說：「這些是初步的計算，但是它們能教會我們，以自組裝方式加工的簡單分子是如何能夠處理信息和執行演算法的。生物學證明了化學天生就是基於信息的，可以存儲在分子層面指導演算法行為的信息。」

關鍵字

計算機、分子、DNA、演算法、軟體

參考資料

【1】https://www.caltech.edu/about/news/computer-scientists-create-reprogrammable-molecular-computing-system

【2】Damien Woods, David Doty, Cameron Myhrvold, Joy Hui, Felix Zhou, Peng Yin & Erik Winfree. Diverse and robust molecular algorithms using reprogrammable DNA self-assembly. Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-1014-9

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