可普遍编程DNA计算机证明化学编程指日可待

单细胞利用本身的 DNA 进行分裂、繁殖和分化，从而产生一个发育彻底的生物体，这可谓是化学计算中最巧妙神秘的行为。本周，《天然》(Nature)杂志发表研究报告称，计算机科学家建造了第一台可普遍编程的 DNA 计算机，朝着利用化学计算的路途上迈出了相当重要的一步。
该系统利用 DNA 编写的指令来执行不一样的 6 位程序。之前的 DNA 计算机本质上都是定制的系统，只可以解决特定的问题。但如今，研究人员用新系统来执行 21 个测试程序。在可编程物质中，化学软件会自动指导具备复杂、可编程纳米材料的构建。虽然仅由 DNA 和盐水组成的新系统自己不足以成为科技应用，可是，它让自组装可编程物质的发展更进了一步。这项研究主要在加州理工学院(Caltech)进行。研究负责人、计算机科学和生物工程学教授埃里克·温弗里(Erik Winfree)解释说，新系统的创造者“试图找出将计算行为嵌入化学的方式，从而控制化学的行为”。

DNA 会造成一个由两条长链组成的梯状结构，每条链都有四种化学物质。这台计算机的原理就在于:单链 DNA 会因化学序列的互补性和其余 DNA 链配对。加州理工学院的研究小组将他们的 DNA 序列设计成相似于2-输入/2-输出布尔逻辑门。这些门中的五个被链接成一个层，用 6 个输入和 6 个输出执行所需的计算。可是仅仅一层不能完成计算。相反，一系列功能相同的层，其中一个层的输出链接到另外一个层的输入，迭代地执行计算，直到获得一个答案。咱们能够这么理解：随着一层又一层的链接，算法最后编织了一个包含计算过程的纳米级围巾。

温弗里（Winfree）和他的团队把这些电路抽象地想象成四方形的瓦片，瓦片两边都有固定装置，只容许它们链接到带有互补装置的瓦片上，就像拼图。计算机的全套指令由 355 种不一样类型的瓦片组成。实际上，每块瓦片上并不是 1 条 DNA 单链而是 4 条，这样就增长了足够的余地来克服意想不到的错误。

为了使计算有序进行（本质上是合成一种能够计算的晶体），研究人员须要某种既能够做为起点，又能承载 DNA 进行组装的结构。达米安·伍兹(Damien Woods)曾从事 DNA 计算机研究，如今就任于爱尔兰的梅努斯大学。他说，“咱们想让 DNA 有序地链接在一块儿造成回路，而不是像在溶液里同样随机粘在一块儿。这种 DNA 使用了一种叫作 DNA 折纸的技术，设计成一个长 150 纳米，宽 20 纳米的纳米管。计算晶体在纳米管上进行组装，方式相似于冰糖在裹着糖衣的绳子上结晶。

想要在这台 6 位 DNA 计算机上运行一个程序，首先须要一个自定义编译器。“大量的想法和科学会投入到编译器中，”伍兹如是说道。它容许研究人员编写任何他们想要的软件算法，并经过各类抽象层次将算法转换为:逻辑到块、块到纠错子块、子块到 DNA 序列等等。最后，它产生了一个指南，即指导 DNA 序列添加的内容、时间、以及温度。DNA 折纸纳米管须要一到两个小时的时间来合成，而完成计算则须要一天左右的时间。(温弗里指出，速度历来都不是重点。)

　　对于 Winfree 来讲，这一结果是其职业生涯的一大进步。“对我来讲，这是一段至关长的路要走，”他说。大约 25 年前，当他仍是一名研究生时，他对数学瓦片理论和理论计算机科学之间的奇妙联系产生了兴趣，他想知道这种联系是否能够扩展到描述晶体生长的模型上。“这让我很是好奇，伪晶体是否会在生长过程当中进行计算。“如今咱们知道他们能够。