DNA纳米链路：微软新研究将生物计算机速度提高数倍

选自微软

机器之心编译

参与：李泽南、陆雪

在量子计算机之外，生物计算机是未来计算发展的又一个大方向。然而，在以往的研究中，人造 DNA 组成的计算模组效率很低，同时形成的计算机制难以和通用计算架构和算法相兼容。最近，微软研究人员提出了一种新方法在解决这些挑战的路程中前进了一大步，该研究刚刚发表在最新一期的《Nature Nanotechnology》上。

人造工程系统，从古老的灌溉网络到如今的半导体电路，都仰仗着空间组织来指导物质与信息的流动。而对于细胞来说，它们也使用空间组织来控制与加速分子信号的传递，例如通过共同定位酶级联反应和信号网络的方式。在华盛顿大学与微软研究院今天发表在 Nature Nanotechnology 上的一篇论文中，科学家们描述了一种使用空间组织构建由合成 DNA 制成的纳米尺度计算电路的方法，它被称为「DNA 多米诺」电路，它们由有序排列在 DNA 表面上的「多米诺」分子组成。当 DNA 多米诺分子与它们的近邻在一个级联中相互作用时，信息就获得了传输。

几十年来，分子编程领域的学者们一直在研究如何让 DNA 分子拥有计算能力。这个课题包含构建在分子层面上能够有效运行的算法，以及确定分子计算的基本原理。这些分子机器通常是由合成的 DNA 链组成的，其中链的序列决定了信息相互作用的方式。这些设备在未来的可能应用包括病原体的体外诊断、生物制造材料、智能医疗和用于成像和生物实验探测的高精度方法。但目前，大多数生物计算设备还只能在实验室的「化学汤」中运行，其中数十亿个 DNA 分子依赖于相对较慢的随机扩散过程相互碰撞并执行计算步骤。这种方式限制了计算速度和有效组分的数量，因为自由扩散的 DNA 分子可以随机的自由碰撞，这意味着研究人员必须进行仔细设计，以避免这些碰撞发生时产生意外计算。

DNA 多米诺电路（domino circuit）代表一次重要的进步，它由 Georg Seelig 在华盛顿大学的实验室和 Andrew Phillips 在微软研究院的生物研究院合作研发。多个 DNA 多米诺分子在一个表面上互相靠近时，可在每一个计算步骤不依赖于随机扩散的情况下与相邻电路快速发生相互作用。其速度比自由扩散条件下的电路快得多。此外，相互作用的类型由 DNA 多米诺分子的物理位置和化学专一性（chemical specificity）决定，因此 DNA 多米诺分子可在几乎无扰动的情况下在多个位置重复使用。

连接 DNA 多米诺分子和数百个 DNA 链的支架（scaffold）使用了 DNA 折纸术（DNA origami），该技术在 2006 年首次被提出。DNA 的单独的长链叫作支架，支架通过稍短的 DNA 链（叫作 staple）被固定成一个矩形。为了在 DNA 折纸表面搭建一个纳米尺度计算电路，研究者在折叠过程中使用特殊类型的延长支架将 DNA 多米诺分子纳入折纸。每个支架都被精准装在折纸支架的同一面，然后折叠成 U 形，形成一个 DNA 多米诺电路（见上图）。

研究者使用这一精准的定位技术将 DNA 多米诺分子放入信号传输线（和真正的多米诺分子线路类似），初等布尔逻辑门（elementary Boolean logic gate）计算两个输入的 AND 和 OR 的逻辑值。通过把这些逻辑门连接起来，研究者构建了更加复杂的电路，如 two-input dual-rail XNOR 电路（如图），原则上该电路可用作分子计算机的结构模块（building block）。自由扩散的 DNA 链作为电路的输入，DNA 燃料链负责相邻 DNA 多米诺分子之间的信号传输。研究者设计构建了详细的计算模型，并使用大量实验测量来确定模型参数、量化参数不稳定性。该建模使研究者能够准确地预测更复杂电路的行为，加快设计流程。

该方法为在分子工程中更广泛地使用空间限制（spatial constraint）奠定了基础，能够促使嵌入分子控制电路在生物传感（biosensing）、纳米材料组装（nanomaterial assembly）和 DNA 治疗机器人（therapeutic DNA robot）领域的实际应用。

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

论文链接：https://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2017.127.html

细胞使用空间限制来控制和加速酶级联反应和信号网络中的信息流。合成硅基电路类似地依赖空间约束来处理信息。在本文中，我们证明了，空间组织是一个同样强大的设计理念，它克服了工程分子电路中速度和模块化的局限性。我们利用 DNA 折纸术形成 DNA 发夹环结构的空间排列反应来构建逻辑门和信号传输线。其结果在不同长度和方向的传输线上展示了信号传播的能力，同时逻辑门被模块化地组合成了常见的电路模式。

因为反应优先发生在近邻之间，所以相同的 DNA 发夹可以跨电路重复使用。与扩散性的电路相比，新的方法因其定位的特性可将计算时间从几小时减少到几分钟。这种具有逻辑结构的计算模型允许我们在其上设计预期电路。我们预测我们的新方法将会对未来的空间约束控制电路设计产生启发。