上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/變革性分子前沿科學(xué)中心
日期：2023-09-14
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上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/變革性分子前沿科學(xué)中心樊春海院士與王飛副教授近期發(fā)展了一種支持通用性數(shù)字計算的DNA可編程門陣列（DNA-based programmable gate array, DPGA），可通過分子指令編程的方式實(shí)現(xiàn)通用數(shù)字DNA計算，實(shí)現(xiàn)了無衰減大規(guī)模液相分子電路的構(gòu)建。該成果近日發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。
1994年，圖靈獎得主Adleman提出利用DNA的堿基互補(bǔ)配對原則來發(fā)展生物計算。自那以后，基于DNA分子間相互作用的液相DNA分子計算，已在高并行編碼與執(zhí)行算法方面展現(xiàn)出巨大的潛能。此前，研究者利用DNA分子反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，成功實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞自動機(jī)、邏輯電路、決策機(jī)器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種功能。然而，現(xiàn)有的DNA計算體系僅能針對特定功能進(jìn)行硬件定制。而在電子計算機(jī)領(lǐng)域，通用性集成電路（如FPGA）可通過軟件編程的方式執(zhí)行各種運(yùn)算功能，而無需從頭設(shè)計制造硬件，這為研發(fā)計算機(jī)器提供了高階平臺。因此，如何發(fā)展具有通用性的DNA運(yùn)算元件的編程與集成已成為制約DNA計算領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。
針對這一挑戰(zhàn)性問題，研究團(tuán)隊首先證明了利用單鏈DNA作為統(tǒng)一傳輸信號（DNA-UTS），可實(shí)現(xiàn)類似電子在電路中傳輸?shù)墓δ堋＿M(jìn)而，開發(fā)了一種支持通用性數(shù)字計算的DPGA，并支持器件層次的多DPGA集成，實(shí)現(xiàn)了器件內(nèi)的可編程性和器件間可集成性。如（圖1），當(dāng)電路的復(fù)雜度超出單個DPGA可執(zhí)行規(guī)模時，DPGA可分解為多個子任務(wù)，并生成對應(yīng)的分子指令；每一個子電路的分子指令通過邏輯地址調(diào)用并連接參與運(yùn)算的DNA元件，實(shí)現(xiàn)DPGA的編程；子電路之間的信號傳輸則通過DNA折紙寄存器介導(dǎo)的多DPGA布線實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)器件級的多DPGA集成。
利用DPGA的可編程性與高集成度，本研究突破了DNA分子計算在電路規(guī)模和電路深度的瓶頸，首次在實(shí)驗(yàn)上展示了高達(dá)30個邏輯元件、500條DNA鏈，包含30層DNA鏈取代反應(yīng)的電路規(guī)模。這也代表了近20年來DNA計算領(lǐng)域的新突破（圖2）。
進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)DNA-UTS在跨越多個DPGA傳輸?shù)倪^程中沒有顯著衰減，證明了DPGA的高度可擴(kuò)展性。這預(yù)示著任何實(shí)際問題，理論上都可以在模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過DNA-UTS接入DPGA電路。本研究中概念性展示了將DPGA作為為分子診斷中的信息處理核心，對疾病相關(guān)的分子靶標(biāo)進(jìn)行非線性分類。
這項工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委、新基石科學(xué)基金會等項目的資助。
論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-023-06484-9
