上海交通大学最新Nature

过去的几十年见证了电子和光子集成电路的发展，从特定应用到可编程。尽管液相DNA环路在编码和执行算法方面具有大规模并行的潜力，但通用DNA集成电路(DICs)的发展尚未得到探索。

2023年9月13日，上海交通大学樊春海及王飞共同通讯在Nature 在线发表题为“DNA-based programmable gate arrays for general-purpose DNA computing”的研究论文，该研究展示了一个集成多层基于DNA的可编程门阵列(DPGAs)的DIC系统。研究发现，使用通用单链寡核苷酸作为均匀传输信号，可以可靠地集成大规模的DIC，具有最小的泄漏和高保真度，用于通用计算。重新配置具有24个可寻址双轨门的单个DPGA可以通过布线指令编程实现超过1000亿个不同的回路。

为了控制分子的内在随机碰撞，作者设计了DNA折纸寄存器，为级联DPGAs的异步执行提供方向性。通过一个二次方程求解的DIC来举例说明这一点，DIC由三层级联DPGAs组成，包括30个逻辑门和大约500条DNA链。作者进一步证明DPGA与模数转换器的集成可以对疾病相关的microRNA进行分类。集成无明显信号衰减的大规模DPGA网络的能力标志着迈向通用DNA计算的关键一步。

利用生物分子相互作用的液相生物计算由于其巨大的并行性和与生物系统的内在相容性而得到了积极的探索。例如，包括自动机、逻辑环路、决策机器和神经网络在内的计算DNA反应网络已经实现，在分子信息处理、合成智能设备和生物医学应用中显示出潜力。尽管取得了这些进展，但大多数这些计算系统都是在硬件上进行定制的，以实现特定的算法或有限数量的计算任务。

通用电子集成电路允许软件编程而不是特定应用的定制硬件制造来执行特定功能，为原型计算机器提供了更高级别的平台，而不需要先前的底层物理知识。值得注意的是，经典的硅基计算机和新兴的碳纳米管计算机以及量子计算机都经历了类似的演变，从特定应用(例如，特定应用集成电路)到通用(例如，现场可编程门阵列，FPGA)。可编程性和可伸缩性构成实现通用计算的两个关键因素。可编程性使设备能够执行各种算法，而可伸缩性允许通过向系统添加资源来处理越来越多的工作。

与电子集成电路不同，电子集成电路中的门是物理定位的，通用电信号以定向方式传输，而DNA集成环路(DICs)中的生物分子成分在溶液中扩散和混合，这阻碍了可扩展和可编程生物计算设备的发展。在典型的DNA计算系统中，DNA组分正交性的限制和分子间内在随机碰撞的难以控制，给实现通用的DNA计算带来了实际的挑战。

DPGA编程工作流程示意图（图源自Nature ）

人们一直在努力探索DNA电路的可编程性。然而，由于这些液相系统的集成普遍缺乏方向性，可编程DNA系统的可扩展性还有待探索。类似于电子或量子电路中的子组件组装，空间分隔已被引入细胞和合成分子反应系统中，以增加方向性，然而，在系统水平上显示出有限的可扩展性。该研究开发了高度可扩展的，基于DNAa的可编程门阵列(DPGAs)，采用通用单链DNA寡核苷酸作为均匀传输信号(DNA-UTS)。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06484-9

转自：“iNature”微信公众号

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