DNA计算机的发展正迈向一个崭新的里程碑，中国上海交通大学的研究人员已经在这一领域迈出了重要的一步。他们展示出可以构建通用用途的DNA集成电路（DICs），这意味着这些集成电路可以进行软件编程，不再局限于执行特定功能。这些通用DICs已经证明可以解决数学问题并识别分子生物标志物，显示出DNA计算机未来可能在临床和诊断应用中发挥重要作用。
这项经过同行评审的研究文章，题为《基于DNA的通用可编程门阵列用于DNA计算》（"DNA-based programmable gate arrays for general-purpose DNA computing"），于今天在《自然》杂志上发表。
通用用途的DNA集成电路 液相DNA电路具有在大量并行线程中编码和运行算法的潜力，但通用DICs的发展一直受到较少的关注。尽管在液相生物计算方面进行了大量研究，该领域利用生物分子相互作用并与生物系统一起工作。例如，已经创建了带有逻辑电路、决策机器和神经网络的DNA反应网络，这些网络在分子信息处理、合成智能设备和生物医学应用中显示出潜力。
与为每个应用程序制作定制硬件不同，通用电子集成电路允许您为特定任务编写软件。这为原型计算机的开发提供了更高级别的平台，而不必深入了解其背后的物理原理。现代基于硅的计算机、基于碳纳米管的新型计算机以及量子计算机都经历了从应用特定到通用用途的转变。
在电子集成电路中，门是物理位置，通用电信号以定向方式发送。然而，在DICs中，生物分子组件在溶液中扩散并混合，这使得难以制造可扩展和可编程的生物计算设备。
电子集成电路历史上一个最重要的步骤是创建了现场可编程门阵列（FPGA），这是一种半导体设备，允许在制造后更改集成电路。FPGA中的逻辑块设置在一个网格中，并通过可自定义的路径进行连接。将FPGA编程以特定方式工作，用户可以像使用软件一样构建自定义电路。
由王飞博士和范春海博士领导的研究人员受到基于硅的FPGA的启发，创造了非常可扩展的基于DNA的可编程门阵列（DPGAs）。这些DPGAs由单链DNA（ssDNA）寡核苷酸和漂浮在试管中的DNA折纸制成。ssDNA的工作方式类似于集成电路中的电子或光子，而DNA折纸则用作存储数据位的寄存器，用于计算或其他操作的输入。
为了展示DICs的实际应用，他们重新配置和编程多层DPGAs，开发了一个解二次方程的DIC，为了展示DICs的临床和诊断相关性，研究人员解决了用于识别与疾病相关的生物标志物的问题。为此，他们创建了一个非线性分类器，这对于决策树和聚类等功能是必要的。他们展示了他们的系统可以在大约两个小时内正确识别所有23个测试样本，区分健康和患病样本。
那么，您下一台计算机会是由DNA制成的吗？可能不会。但作者们预计，集成的DPGAs将能够在不久的将来处理来自生物标志物的信息，而不仅仅局限于miRNAs（小分子RNA）。DNA计算机的潜力正在逐渐展现，它们可能成为生物计算和临床诊断的有力工具。
参考文献：DNA-based programmable gate arrays for general-purpose DNA computing
编辑：王洪
排版：李丽
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