“DNA”一詞立即讓人想起包含我們所有遺傳信息的雙鏈螺旋。但是它的兩條鏈的各個(gè)單元是成對(duì)的分子，它們以選擇性的、互補(bǔ)的方式相互結(jié)合。事實(shí)證明，人們可以利用這種配對(duì)特性來執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，這構(gòu)成了 DNA 計(jì)算的基礎(chǔ)。
由于 DNA 只有兩條鏈，因此即使進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算也需要使用不同的 DNA 組進(jìn)行多次化學(xué)反應(yīng)。在現(xiàn)有的大多數(shù)研究中，每個(gè)反應(yīng)的 DNA 都是手動(dòng)一個(gè)一個(gè)地添加到單個(gè)反應(yīng)管中，這使得該過程非常繁瑣。微流控芯片由蝕刻在塑料等材料上的窄通道組成，提供了一種自動(dòng)化過程的方法。但是，盡管有他們的希望，但使用微流控芯片進(jìn)行 DNA 計(jì)算的探索仍然不足。
在最近的一篇文章中——于 2021 年 7 月 7 日在ACS Nano上在線提供并于 2021 年 7 月 27 日發(fā)表在該雜志的第 15 卷第 7 期中——來自韓國仁川國立大學(xué) (INU) 的一組科學(xué)家提出了一種基于 DNA 的可編程可以由個(gè)人計(jì)算機(jī)控制以執(zhí)行 DNA 計(jì)算的微流控芯片。“我們希望基于 DNA 的 CPU 將在未來取代電子 CPU，因?yàn)樗鼈兿母俚碾娏?，這將有助于全球變暖。基于 DNA 的 CPU 還為深度學(xué)習(xí)解決方案和數(shù)學(xué)建模等復(fù)雜計(jì)算提供了平臺(tái)，”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的 INU 的 Youngjun Song 博士說。
宋博士和團(tuán)隊(duì)使用 3D 打印制造了他們的微流控芯片，該芯片可以執(zhí)行布爾邏輯，這是計(jì)算機(jī)編程的基本邏輯之一。布爾邏輯是一種真假邏輯，它比較輸入并根據(jù)所使用的操作類型或“邏輯門”返回“真”或“假”值。本實(shí)驗(yàn)中的邏輯門由單鏈 DNA 模板組成。然后使用不同的單鏈 DNA 作為輸入。如果輸入 DNA 的一部分具有與模板 DNA 互補(bǔ)的 Watson-Crick 序列，它就會(huì)配對(duì)形成雙鏈 DNA。根據(jù)最終 DNA 的大小，輸出被認(rèn)為是真還是假。
使設(shè)計(jì)的芯片與眾不同的是一個(gè)電動(dòng)閥門系統(tǒng)，可以使用 PC 或智能手機(jī)進(jìn)行操作。芯片和軟件設(shè)置共同構(gòu)成了一個(gè)微流體處理單元 (MPU)。得益于閥門系統(tǒng)，MPU 可以進(jìn)行一系列反應(yīng)，以快速方便的方式執(zhí)行邏輯運(yùn)算的組合。
這種基于 DNA 的可編程 MPU 的獨(dú)特閥門系統(tǒng)為更復(fù)雜的級(jí)聯(lián)反應(yīng)鋪平了道路，這些反應(yīng)可以編碼擴(kuò)展功能。“未來的研究將集中在具有 DNA 算法和 DNA 存儲(chǔ)系統(tǒng)的整體 DNA 計(jì)算解決方案上，”宋博士說。
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