DNA納米鏈路：微軟新研究將生物計算機速度提高數倍

選自微軟

機器之心編譯

參與：李澤南、陸雪

在量子計算機之外，生物計算機是未來計算發展的又一個大方向。然而，在以往的研究中，人造 DNA 組成的計算模組效率很低，同時形成的計算機製難以和通用計算架構和算法相兼容。最近，微軟研究人員提出了一種新方法在解決這些挑戰的路程中前進了一大步，該研究剛剛發表在最新一期的《Nature Nanotechnology》上。

人造工程係統，從古老的灌溉網絡到如今的半導體電路，都仰仗著空間組織來指導物質與信息的流動。而對於細胞來說，它們也使用空間組織來控製與加速分子信號的傳遞，例如通過共同定位酶級聯反應和信號網絡的方式。在華盛頓大學與微軟研究院今天發表在 Nature Nanotechnology 上的一篇論文中，科學家們描述了一種使用空間組織構建由合成 DNA 製成的納米尺度計算電路的方法，它被稱為「DNA 多米諾」電路，它們由有序排列在 DNA 表麵上的「多米諾」分子組成。當 DNA 多米諾分子與它們的近鄰在一個級聯中相互作用時，信息就獲得了傳輸。

幾十年來，分子編程領域的學者們一直在研究如何讓 DNA 分子擁有計算能力。這個課題包含構建在分子層麵上能夠有效運行的算法，以及確定分子計算的基本原理。這些分子機器通常是由合成的 DNA 鏈組成的，其中鏈的序列決定了信息相互作用的方式。這些設備在未來的可能應用包括病原體的體外診斷、生物製造材料、智能醫療和用於成像和生物實驗探測的高精度方法。但目前，大多數生物計算設備還隻能在實驗室的「化學湯」中運行，其中數十億個 DNA 分子依賴於相對較慢的隨機擴散過程相互碰撞並執行計算步驟。這種方式限製了計算速度和有效組分的數量，因為自由擴散的 DNA 分子可以隨機的自由碰撞，這意味著研究人員必須進行仔細設計，以避免這些碰撞發生時產生意外計算。

DNA 多米諾電路（domino circuit）代表一次重要的進步，它由 Georg Seelig 在華盛頓大學的實驗室和 Andrew Phillips 在微軟研究院的生物研究院合作研發。多個 DNA 多米諾分子在一個表麵上互相靠近時，可在每一個計算步驟不依賴於隨機擴散的情況下與相鄰電路快速發生相互作用。其速度比自由擴散條件下的電路快得多。此外，相互作用的類型由 DNA 多米諾分子的物理位置和化學專一性（chemical specificity）決定，因此 DNA 多米諾分子可在幾乎無擾動的情況下在多個位置重複使用。

連接 DNA 多米諾分子和數百個 DNA 鏈的支架（scaffold）使用了 DNA 折紙術（DNA origami），該技術在 2006 年首次被提出。DNA 的單獨的長鏈叫作支架，支架通過稍短的 DNA 鏈（叫作 staple）被固定成一個矩形。為了在 DNA 折紙表麵搭建一個納米尺度計算電路，研究者在折疊過程中使用特殊類型的延長支架將 DNA 多米諾分子納入折紙。每個支架都被精準裝在折紙支架的同一麵，然後折疊成 U 形，形成一個 DNA 多米諾電路（見上圖）。

研究者使用這一精準的定位技術將 DNA 多米諾分子放入信號傳輸線（和真正的多米諾分子線路類似），初等布爾邏輯門（elementary Boolean logic gate）計算兩個輸入的 AND 和 OR 的邏輯值。通過把這些邏輯門連接起來，研究者構建了更加複雜的電路，如 two-input dual-rail XNOR 電路（如圖），原則上該電路可用作分子計算機的結構模塊（building block）。自由擴散的 DNA 鏈作為電路的輸入，DNA 燃料鏈負責相鄰 DNA 多米諾分子之間的信號傳輸。研究者設計構建了詳細的計算模型，並使用大量實驗測量來確定模型參數、量化參數不穩定性。該建模使研究者能夠準確地預測更複雜電路的行為，加快設計流程。

該方法為在分子工程中更廣泛地使用空間限製（spatial constraint）奠定了基礎，能夠促使嵌入分子控製電路在生物傳感（biosensing）、納米材料組裝（nanomaterial assembly）和 DNA 治療機器人（therapeutic DNA robot）領域的實際應用。

論文：A spatially localized architecture for fast and modular DNA computing

論文鏈接：https://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2017.127.html

細胞使用空間限製來控製和加速酶級聯反應和信號網絡中的信息流。合成矽基電路類似地依賴空間約束來處理信息。在本文中，我們證明了，空間組織是一個同樣強大的設計理念，它克服了工程分子電路中速度和模塊化的局限性。我們利用 DNA 折紙術形成 DNA 發夾環結構的空間排列反應來構建邏輯門和信號傳輸線。其結果在不同長度和方向的傳輸線上展示了信號傳播的能力，同時邏輯門被模塊化地組合成了常見的電路模式。

因為反應優先發生在近鄰之間，所以相同的 DNA 發夾可以跨電路重複使用。與擴散性的電路相比，新的方法因其定位的特性可將計算時間從幾小時減少到幾分鍾。這種具有邏輯結構的計算模型允許我們在其上設計預期電路。我們預測我們的新方法將會對未來的空間約束控製電路設計產生啟發。