单个细胞利用自身的DNA进行分裂、繁殖和分化，从而产生完全发育的生物体，这可以说是化学计算中最巧妙、最神秘的行为。根据本周发表在《自然》（自然）杂志上的一项研究，计算机科学家已经构建了第一台广泛可编程的DNA计算机，朝着利用化学计算迈出了关键一步。 图片来自ErikWinfree/Caltech 该系统使用用DNA编写的指令来执行不同的6位程序。以前的DNA计算机本质上是定制系统，旨在解决特定问题。但现在，研究人员使用新系统执行了21个测试程序。在可编程物质中，化学软件自动指导复杂、可编程纳米材料的构建。虽然仅由DNA和盐水组成的新系统本身不足以实现技术应用，但它使自组装可编程物质的发展更近了一步。该研究主要在加州理工学院(Caltech)进行。新系统的创造者“正试图找出将计算行为嵌入化学的方法，以便他们能够控制化学行为，”研究负责人、计算机科学和生物工程学教授埃里克温弗里解释说。 DNA形成两条长链的阶梯状结构，每条链有四种化学物质。这台计算机的工作原理是，由于化学序列的互补性，单链DNA与其他DNA链配对。加州理工学院团队将他们的DNA序列设计为类似于2输入/2输出布尔逻辑门。这些门中的五个连接到一个层中，该层使用6个输入和6个输出执行所需的计算。但是仅一层无法完成计算。相反，一系列功能相同的层，其中一层的输出连接到另一层的输入，迭代地执行计算，直到得出答案。我们可以这样理解：通过层层连接，算法编织出一条包含计算过程的纳米级围巾。 Winfree和他的团队将这些电路抽象地想象成两边都有固定装置的方形瓷砖，只允许它们连接到带有互补固定装置的瓷砖，就像拼图一样。计算机的指令库由355种不同类型的图块组成。每个图块不是1条单链DNA，而是实际上有4条，这增加了足够的回旋余地来克服意外错误。 为了使计算有序（本质上是合成可以计算的晶体），研究人员需要某种既可以作为起点又可以承载DNA进行组装的结构。DamienWoods从事DNA计算机方面的工作，现在在爱尔兰的梅努斯大学工作。“我们希望DNA以有序的方式连接在一起形成环，而不是像在溶液中那样随机粘在一起，”他说。使用一种称为DNA折纸的技术，DNA被设计成150纳米长、20纳米宽的纳米管。计算晶体在纳米管上的组装方式与冰糖在糖衣绳上结晶的方式相同。 图片来自DamienWoods/MaynoothUniversity要在Internet上运行程序，您首先需要一个自定义编译器。“很多思想和科学都进入了编译器，”伍兹说。它允许研究人员编写他们想要的任何软件算法，并通过各种抽象级别将算法转换为：逻辑到块、块到纠错子块、子块到DNA序列等***，从而产生添加到DNA序列的内容、时间和温度的指南。DNAOrigamiNano虽然合成需要一两个小时，但计算完成需要一天左右的时间。（速度从来都不是重点，温弗里指出。）大约25年前，当他还是一名研究生时，他对数学平铺理论和理论计算机科学的兴趣被这种奇怪的联系所吸引，他想知道这种联系是否可以扩展到描述晶体生长的模型。“这让我很好奇假晶体是否会在生长过程中进行计算。”现在我们知道它们可以。 本文编译自IEEESpectrum
