基于開關(guān)電路的DNA計(jì)算取得進(jìn)展
近日，上海交通大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院樊春海團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于DNA鏈置換反應(yīng)的開關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算。與常用的邏輯門電路相比，開關(guān)電路結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，可以用最少的DNA序列實(shí)現(xiàn)高信噪比和快速計(jì)算的分子電路。他們展示了迄今為止最為快速的4位平方根運(yùn)算。相關(guān)論文以“Implementing digital computing with DNA-based switching circuits”為題發(fā)表于Nature Communications （https://www.nature.com/articles/s41467-019-13980-y）.王飛和呂慧為共同第一作者，樊春海和中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院和上海應(yīng)用物理研究所王麗華為共同通訊作者。
DNA計(jì)算旨在利用DNA分子反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算功能，是生物計(jì)算領(lǐng)域的重要組成部分。特別的，DNA鏈置換反應(yīng)為構(gòu)建常溫下運(yùn)行的復(fù)雜數(shù)字電路提供了重要工具。DNA鏈置換反應(yīng)是利用DNA分子雜交的自由能差異，以一條單鏈序列將另一條單鏈從雜交DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中取代下來用于后續(xù)反應(yīng)，具有精確的序列正交性。然而，迄今為止的DNA數(shù)字運(yùn)算電路均基于邏輯門來實(shí)現(xiàn)，電路較為復(fù)雜，而隨著參與反應(yīng)的DNA鏈數(shù)目增加，其運(yùn)算速度和信噪比均受到限制。而開關(guān)電路則是由信息論創(chuàng)始人香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）在在電子電路發(fā)展的早期階段就提出來的一種方法，可以高效、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)任意數(shù)字功能，是構(gòu)成現(xiàn)代通訊的基礎(chǔ)。受此啟發(fā)，樊春海團(tuán)隊(duì)提出了一種模塊化的DNA分子開關(guān)，通過構(gòu)建DNA開關(guān)電路在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了任意功能的數(shù)字運(yùn)算。
類似于電子開關(guān)電路，該DNA開關(guān)電路通過開關(guān)信號(hào)控制電流信號(hào)的傳輸，電流信號(hào)傳輸?shù)姆较蚩梢酝ㄟ^反應(yīng)路徑中分子自由能的差異來精確控制。上游開關(guān)僅具有S結(jié)構(gòu)域響應(yīng)開關(guān)信號(hào)，而下游開關(guān)具有C結(jié)構(gòu)域和S結(jié)構(gòu)域分別響應(yīng)上一級(jí)的電流信號(hào)和自己的開關(guān)信號(hào)。其中，S域?qū)崿F(xiàn)功能控制，C域?qū)崿F(xiàn)電流信號(hào)傳輸。利用DNA分子開關(guān)，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)功能完備的“開關(guān)畫板”，任意的邏輯功能均可通過真值表到“畫板”上電流通路的映射實(shí)現(xiàn)。該DNA開關(guān)電路在實(shí)驗(yàn)上可實(shí)現(xiàn)包括簡(jiǎn)單邏輯運(yùn)算、扇入扇出結(jié)構(gòu)、復(fù)雜組合邏輯電路、全加器、4 bit開根號(hào)運(yùn)算等多種電路結(jié)構(gòu)和功能。所有電路的運(yùn)算時(shí)間均在10分鐘以內(nèi)，展示了迄今為止最快的復(fù)雜DNA數(shù)字運(yùn)算。
DNA開關(guān)電路作為一種新的DNA計(jì)算體系實(shí)現(xiàn)方式，為發(fā)展分子計(jì)算機(jī)和開發(fā)具有綜合決策能力或復(fù)雜行為能力的納米機(jī)器奠定了基礎(chǔ)。
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