模拟DNA电路在试管中进行数学运算

DNA通常被描述为生命的蓝图，其中包含了使每个生物从人类飞到家中的指示。但近几十年来，一些研究人员将遗传密码的字母用于不同的用途：制作小型纳米级计算机。在一项新的研究中，由John Reif教授领导的杜克大学研究小组创造了一系列合成DNA，当它们在试管中以适当的浓度混合在一起时，形成一个模拟电路，可以在它们形成和断裂时加上，减去和相乘。

DNA 电路不是电压，而是使用特定DNA链的浓度作为信号。其他团队设计了基于DNA的电路，可以解决从计算平方根到玩井字游戏等问题。但是大多数DNA电路都是数字的，其中信息被编码为一系列零和一。

相反，新的Duke设备通过直接测量特定DNA分子的不同浓度以模拟方式进行计算，而无需特殊电路将它们首先转换为零和1。

研究人员在8月份的ACS合成生物学杂志上描述了他们的方法。

Reif说，与大多数现代电子产品中使用的硅基电路不同，DNA电路的商业应用还有很长的路要走。

首先，试管计算很慢。获得答案可能需要数小时。

“我们可以做一些有限的计算，但我们甚至无法开始考虑与现代PC或其他传统计算设备竞争，”Reif说。

但DNA电路可能比硅制成的电路要小得多。与电子电路不同，DNA电路在潮湿的环境中工作，这可能使它们可用于血液内部的计算或细胞的浓郁，狭窄的部分。

该技术利用DNA的自然拉链和解压缩功能来执行计算。就像维可牢尼龙搭扣和磁铁有互补的钩子或杆子一样，DNA的核苷酸碱基以可预测的方式配对和结合。

研究人员首先制作短片合成DNA，一些是单链的，一些是双链的单链末端，然后将它们混合在一个试管中。

当单链在一个部分双链的末端遇到完美匹配时，它会锁定并结合，取代先前结合的链并使其分离，就像有人切入跳舞的情侣一样。

新释放的链可以与电路下游的其他互补DNA分子配对，产生多米诺骨牌效应。

研究人员通过在反应达到平衡时测量特定输出链的浓度来解决数学问题。

为了了解他们的电路在反应过程中如何随着时间的推移而发挥作用，Reif和Duke研究生Tianqi Song使用计算机软件来模拟一系列输入浓度下的反应。他们还在实验室进行了实验测试。

除了加法，减法和乘法，研究人员还设计了更复杂的模拟DNA电路，可以进行更广泛的计算，如对数和指数。

几十年前传统计算机已经数字化了。但研究人员表示，对于DNA计算而言，模拟方法有其优势。一方面，模拟DNA电路比数字电路需要更少的DNA链，Song说。

模拟电路也更适合于感测信号，这些信号不适用于简单的开关，全部或全部值，例如生命体征和诊断和治疗疾病所涉及的其他生理测量。

希望是，在遥远的未来，可以对这些装置进行编程，以检测特定的血液化学物质是否位于被认为正常的值范围之内或之外，并释放特定的DNA或RNA-DNA的化学表亲 - 具有药物样影响。

Reif的实验室也开始研究基于DNA的设备，这些设备可以检测特定类型癌细胞的分子特征，并释放刺激免疫系统反击的物质。

“即使非常简单的DNA计算仍然可能对医学或科学产生巨大影响，”雷夫说。