Auto Byte

专注未来出行及智能汽车科技

微信扫一扫获取更多资讯

Science AI

关注人工智能与其他前沿技术、基础学科的交叉研究与融合发展

微信扫一扫获取更多资讯

运行超千亿不同电路、可编程,国内团队DNA计算机论文登Nature

DNA 计算机新的突破,这次是上海交通大学团队做出来的。

在计算机的庞大宇宙里,有依赖于硅晶片的常规计算机,也有生物形式的 DNA 计算机。后者利用 DNA 建立一种完整的信息技术形式,以编码的 DNA 序列为运算对象,通过分子生物学的运算操作来解决复杂的数学难题。

DNA 计算机依赖的不再是硅晶片,而是大自然数十亿年来用以编码生命蓝图的分子。这类计算机通过实验室操作来执行计算,并以 DNA 链式形式的数据作为输入和输出。

图片

与常规计算机相比,DNA 计算的一个潜在优势在于它可以存储的数据密度。理论上,DNA 每平方毫米最多可以存储 1 艾字节(exabyte)或 10 亿千兆字节。不仅如此,一滴水就能容纳数万亿 DNA 分子,这表明 DNA 计算能够并行执行海量计算的同时,只需要很少的能量。

近日,上海交通大学樊春海院士、王飞副教授团队开发出了一种可编程的 DNA 计算机,相关研究论文已经在 Nature 上发表。

图片

论文地址:https://www.nature.com/articles/s41586-023-06484-9

研究者通过集成支持通用性计算的多层 DNA 可编程门阵列(DPGA, DNA-based programmable gate array),展示了一种 DNA 集成电路(DIC)。他们发现,使用通用的单链寡核苷酸作为统一的传输信号,可以可靠地集成大规模 DIC,并能最小化泄露,实现高保真度。此外对具有 24 个可寻址双轨门的单个 DPGA 进行重新配置,可以运行超过 1000 亿个不同的电路。

此外,为了控制分子本质上的随机碰撞,研究者设计了 DNA 折纸寄存器,为级联 DPGA 的异步执行提供了方向。他们通过三层级联 DPGA(包含 30 个逻辑门、约 500 个 DNA 链)组装而成的二次方程求解 DIC 证明了这一点。

研究者进一步证明,DPGA 与模数转换器的集成可以对与疾病相关的 microRNA 进行分类。无明显信号衰减下集成大规模 DPGA 网络,这标志着迈向通用 DNA 计算的关键一步。

DNA 计算机的工作原理

在生物学中,DNA 是由四种不同的分子(称为碱基)组成的链构成,这四种分子包括腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤,它们的缩写分别为 A、T、C 和 G。

与之对应的,在电子学中,数据通常以一系列 0 和 1 进行编码。yiner 在 DNA 计算中,数字对 00、01、10 和 11 可以编码为 A、T、C 和 G。

当具有特殊设计序列的 DNA 分子彼此混合时,它们可以结合在一起并以某种方式分离,从而可以充当逻辑门(执行与、或、非等逻辑运算)。

一直以来,DNA 计算面临的一个主要问题是开发可编程逻辑门阵列。大多数 DNA 计算机被设计为仅执行特定算法或有限数量的计算任务。

受硅基 FPGA 的启发,本文开发了一种高度可扩展的、基于 DNA 的可编程门阵列(DPGA),其采用通用单链 DNA 寡核苷酸作为均匀传输信号(DNA–UTS)。

图片

                                  DPGA 编程工作流程示意图

作为电子集成电路指令的模拟,该研究建立了一个包含大约 1000 条指令(超过 2000 个寡核苷酸)的分子指令集,从而定义了 DPGA 上的所有合法线路。

DPGA 的操作是基于沿着程序配置的路径在门和 DPGA 之间接收和发送 DNA-UTS。为了避免 DPGA 之间的串扰,本文进一步设计了一个 DNA 折纸寄存器来指导级联 DPGA 的异步计算处理。与电子对应物类似,从上游 DPGA 计算出的中间值通过 DNA 链位移写入 DNA 折纸寄存器,然后传输到下游 DPGA。

设计中,本文还采用双轨输入 / 输出端口的双轨逻辑门特性,从而允许代表高低信号的两条 DNA 链同时通过,实现 DPGA。

图片

                                 统一的双轨计算单元,逻辑门控 DNA-UTS 传输

接下来该研究探讨了 DNA-UTS 是否可以连接门内和 DPGA 间传输来实现计算电路,包括输入端口到门、门到门、门到输出端口(图 3a)。

图片

在与 DNA-UTS 建立 DPGA 接线后,该研究接下来探索了用于多任务操作的 DPGA 重新配置,如图 4 所示。

图片

DNA 计算的应用前景及技术挑战

DNA 计算面临的一个关键问题是 DNA 分子如何能够在任何方向上流动,这使得将逻辑门组合在一起以按编程序列执行计算变得颇具挑战性。

为了克服这个问题,研究者构建了 DNA 折纸技术。通过设计正确的 DNA 序列,让得到的 floppy 链自身粘在一起,弯曲成几乎任何想要的 2D 或 3D 形状。他们制作了 DNA 折纸寄存器,作为一种引导计算机内部数据流和指令的设备,它有助于控制 DNA 分子的随机碰撞。

图片

                                    DNA 折纸寄存器。

对于这一新型 DNA 计算机,寡核苷酸或 DNA 短片段在试管中移动,就像电子在常规计算机内穿梭一样。如前文所述,研究者使用由 30 个逻辑门、约 500 个 DNA 链组成的一个 DNA 计算机来精确求平方根。他们还用这个 DNA 计算机来识别三种与肾癌相关的遗传分子,当给它 18 个患病和 5 个健康样本时,大约可以在两小时内正确检测并分类出来。

不过研究者强调,DNA 计算机不会在传统任务中取代常规计算机。毕竟,DNA 计算机光在计算上就要花费数小时。DNA 计算机的编程和运行还需要手动操作,这有点像早期可编程的通用电子计算机 ENIAC。研究者正致力于通过结合分子反应与电控液体转移,实现 DNA 计算的自动化。

研究者表示,下一步希望用 DNA 计算机来执行一些复杂的算法。未来,DNA 计算机将在生物医药应用领域发挥作用,比如细胞编程和分子诊断。

参考链接:https://spectrum.ieee.org/dna-computing

工程DNA 计算机
相关数据
逻辑技术

人工智能领域用逻辑来理解智能推理问题;它可以提供用于分析编程语言的技术,也可用作分析、表征知识或编程的工具。目前人们常用的逻辑分支有命题逻辑(Propositional Logic )以及一阶逻辑(FOL)等谓词逻辑。

推荐文章
暂无评论
暂无评论~