基于開關(guān)電路的DNA計算取得進展
近日，上海交通大學化學與化工學院樊春海團隊開發(fā)了一種基于DNA鏈置換反應的開關(guān)電路來實現(xiàn)數(shù)字運算。與常用的邏輯門電路相比，開關(guān)電路結(jié)構(gòu)精簡，可以用最少的DNA序列實現(xiàn)高信噪比和快速計算的分子電路。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，樊春海和中國科學院上海高等研究院和上海應用物理研究所王麗華為共同通訊作者。
DNA計算旨在利用DNA分子反應來實現(xiàn)數(shù)字運算功能，是生物計算領(lǐng)域的重要組成部分。特別的，DNA鏈置換反應為構(gòu)建常溫下運行的復雜數(shù)字電路提供了重要工具。DNA鏈置換反應是利用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，具有精確的序列正交性。然而，迄今為止的DNA數(shù)字運算電路均基于邏輯門來實現(xiàn)，電路較為復雜，而隨著參與反應的DNA鏈數(shù)目增加，其運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)濟地實現(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)，樊春海團隊提出了一種模塊化的DNA分子開關(guān)，通過構(gòu)建DNA開關(guān)電路在實驗上實現(xiàn)了任意功能的數(shù)字運算。
類似于電子開關(guān)電路，該DNA開關(guān)電路通過開關(guān)信號控制電流信號的傳輸，電流信號傳輸?shù)姆较蚩梢酝ㄟ^反應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)域響應開關(guān)信號，而下游開關(guān)具有C結(jié)構(gòu)域和S結(jié)構(gòu)域分別響應上一級的電流信號和自己的開關(guān)信號。其中，S域?qū)崿F(xiàn)功能控制，C域?qū)崿F(xiàn)電流信號傳輸。利用DNA分子開關(guān)，他們設(shè)計了一個功能完備的“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現(xiàn)。該DNA開關(guān)電路在實驗上可實現(xiàn)包括簡單邏輯運算、扇入扇出結(jié)構(gòu)、復雜組合邏輯電路、全加器、4 bit開根號運算等多種電路結(jié)構(gòu)和功能。所有電路的運算時間均在10分鐘以內(nèi)，展示了迄今為止最快的復雜DNA數(shù)字運算。
DNA開關(guān)電路作為一種新的DNA計算體系實現(xiàn)方式，為發(fā)展分子計算機和開發(fā)具有綜合決策能力或復雜行為能力的納米機器奠定了基礎(chǔ)。
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