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    計算機科學家創建可重新編程的分子計算系統

    加州理工學院的計算機科學家設計了可進行可重新編程計算的DNA分子,這是首次創建所謂的算法自組裝,其中相同的“硬件”可以配置為運行不同的“軟件”。

    在《自然》雜志上發表的一篇論文中 ,由加州理工學院的 計算機科學,計算和神經系統以及生物工程學教授埃里克·溫弗里(Erik Winfree)(PhD '98)領導的團隊 展示了DNA計算如何執行執行簡單任務的六位算法。該系統類似于計算機,但是它不使用晶體管和二極管,而是使用分子代表六位二進制數(例如011001)作為輸入,計算和輸出。一種這樣的算法確定輸入中1位的數目是奇數還是偶數(上面的示例將是奇數,因為它有3個1位)。另一個確定輸入的內容是否是回文。還有一個生成隨機數。

    “將它們視為納米應用程序,”愛爾蘭都柏林附近的梅努斯大學計算機科學教授達米恩·伍茲(Damien Woods)說,該研究的兩位主要作者之一。“無需更改硬件即可運行任何類型的軟件程序的能力使計算機變得如此有用。我們正在分子中實現這一想法,本質上是將一種算法嵌入化學過程中以控制化學過程。”

    該系統通過自組裝工作:特殊設計的小DNA鏈粘在一起以構建邏輯電路,同時執行電路算法。系統從代表輸入的原始六位開始,逐行添加分子-逐步運行算法?,F代數字電子計算機利用流經電路的電流來操縱信息。在這里,排成一行的DNA鏈粘在一起進行計算。

    最終結果是一個裝有數十億個完整算法的試管,每個算法都類似于一條編織的DNA圍巾,代表著計算的結果。每個“圍巾”上的模式都為您提供了正在運行的算法的解決方案。通過簡單地從構成系統的大約700條線中選擇不同的子線子集,可以對系統進行重新編程以運行不同的算法。

    加州大學戴維斯分校的首席作者,計算機科學助理教授戴維•多蒂(David Doty)表示:“盡管我們只設計了六位輸入,但我們能夠設計出的程序的多功能性令我們感到驚訝。” “當我們開始實驗時,我們只設計了三個程序。但是,一旦開始使用該系統,我們就意識到了它的潛力。這是我們第一次編程計算機時就感到的興奮,我們對這些子線還能做什么感到非常好奇。到最后,我們已經設計并運行了總共21條電路。”

    研究人員能夠通過實驗證明六位分子算法可以完成各種任務。在數學中,他們的電路測試輸入以評估它們是否為三的倍數,執行相等性檢查,并計數為63。其他電路在DNA“圍巾”上繪制“圖片”,例如曲折,雙螺旋和不規則間隔鉆石。還展示了概率性行為,包括隨機游走,以及一個巧妙的算法(最初由計算機先驅約翰·馮·諾伊曼(John von Neumann)開發),用于從偏向硬幣中獲得公平的50/50隨機選擇。

    伍茲和道蒂在開始這項研究時都是理論計算機科學家,因此他們必須學習一套新的“濕實驗室”技能,這些技能通常更多地出現在生物工程師和生物物理學家的操盤手中。“當工程需要跨學科時,存在很大的進入障礙,” Winfree說。“計算機工程學通過設計可高度重新編程的機器克服了這一障礙,因此當今的程序員無需了解晶體管的物理原理。我們在這項工作中的目標是表明,可以類似地對分子系統進行高級編程,以便將來,未來的分子程序員可以釋放自己的創造力,而不必掌握多個學科。”

    伍茲說:“與之前專門設計用于執行一次計算的分子實驗不同,對我們的系統進行重新編程以解決這些不同的問題就像選擇不同的試管進行混合一樣簡單,” “我們當時在實驗室工作臺上編程。”

    盡管DNA計算機比“自然”雜志中的計算機具有執行更復雜的計算的潛力 ,但Winfree告誡人們不要指望它們會開始取代標準的硅微芯片計算機。那不是這項研究的重點。“這些是基本的計算,但是它們有能力教會我們更多有關簡單分子過程(如自組裝)如何編碼信息并執行算法的知識。生物學證明了化學本質上是基于信息的,并且可以存儲可以指導分子水平上的算法行為的信息。”他說。

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