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计算机科学家创建可重新编程的分子计算系统

2021-03-26 13:32

加州理工学院的计算机科学家设计了可进行可重新编程计算的DNA分子,这是首次创建所谓的算法自组装,其中相同的“硬件可以配置为运行不同的“软件。

计算机科学家创建可重新编程的分子计算系统

在《自然》杂志上发表的一篇论文中 ,由加州理工学院的 计算机科学,计算和神经系统以及生物工程学教授埃里克·温弗里(Erik Winfree)(PhD '98)领导的团队 展示了DNA计算如何执行执行简单任务的六位算法。该系统类似于计算机,但是它不使用晶体管和二极管,而是使用分子代表六位二进制数(例如011001)作为输入,计算和输出。一种这样的算法确定输入中1位的数目是奇数还是偶数(上面的示例将是奇数,因为它有3个1位)。另一个确定输入的内容是否是回文。还有一个生成随机数。

“将它们视为纳米应用程序,爱尔兰都柏林附近的梅努斯大学计算机科学教授达米恩·伍兹(Damien Woods)说,该研究的两位主要作者之一。“无需更改硬件即可运行任何类型的软件程序的能力使计算机变得如此有用。我们正在分子中实现这一想法,本质上是将一种算法嵌入化学过程中以控制化学过程。

该系统通过自组装工作:特殊设计的小DNA链粘在一起以构建逻辑电路,同时执行电路算法。系统从代表输入的原始六位开始,逐行添加分子-逐步运行算法。现代数字电子计算机利用流经电路的电流来操纵信息。在这里,排成一行的DNA链粘在一起进行计算。

最终结果是一个装有数十亿个完整算法的试管,每个算法都类似于一条编织的DNA围巾,代表着计算的结果。每个“围巾上的模式都为您提供了正在运行的算法的解决方案。通过简单地从构成系统的大约700条线中选择不同的子线子集,可以对系统进行重新编程以运行不同的算法。

加州大学戴维斯分校的首席作者,计算机科学助理教授戴维•多蒂(David Doty)表示:“尽管我们只设计了六位输入,但我们能够设计出的程序的多功能性令我们感到惊讶。 “当我们开始实验时,我们只设计了三个程序。但是,一旦开始使用该系统,我们就意识到了它的潜力。这是我们第一次编程计算机时就感到的兴奋,我们对这些子线还能做什么感到非常好奇。到最后,我们已经设计并运行了总共21条电路。

研究人员能够通过实验证明六位分子算法可以完成各种任务。在数学中,他们的电路测试输入以评估它们是否为三的倍数,执行相等性检查,并计数为63。其他电路在DNA“围巾上绘制“图片,例如曲折,双螺旋和不规则间隔钻石。还展示了概率性行为,包括随机游走,以及一个巧妙的算法(最初由计算机先驱约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)开发),用于从偏向硬币中获得公平的50/50随机选择。

伍兹和道蒂在开始这项研究时都是理论计算机科学家,因此他们必须学习一套新的“湿实验室技能,这些技能通常更多地出现在生物工程师和生物物理学家的操盘手中。“当工程需要跨学科时,存在很大的进入障碍, Winfree说。“计算机工程学通过设计可高度重新编程的机器克服了这一障碍,因此当今的程序员无需了解晶体管的物理原理。我们在这项工作中的目标是表明,可以类似地对分子系统进行高级编程,以便将来,未来的分子程序员可以释放自己的创造力,而不必掌握多个学科。

伍兹说:“与之前专门设计用于执行一次计算的分子实验不同,对我们的系统进行重新编程以解决这些不同的问题就像选择不同的试管进行混合一样简单, “我们当时在实验室工作台上编程。

尽管DNA计算机比“自然杂志中的计算机具有执行更复杂的计算的潜力 ,但Winfree告诫人们不要指望它们会开始取代标准的硅微芯片计算机。那不是这项研究的重点。“这些是基本的计算,但是它们有能力教会我们更多有关简单分子过程(如自组装)如何编码信息并执行算法的知识。生物学证明了化学本质上是基于信息的,并且可以存储可以指导分子水平上的算法行为的信息。他说。

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