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新的基于DNA的芯片可以编程来解决复杂的数学问题

导读DNA一词立即让人想起包含我们所有遗传信息的双链螺旋。但是它的两条链的各个单元是成对的分子,它们以选择性的、互补的方式相互结合。事实

“DNA”一词立即让人想起包含我们所有遗传信息的双链螺旋。但是它的两条链的各个单元是成对的分子,它们以选择性的、互补的方式相互结合。事实证明,人们可以利用这种配对特性来执行复杂的数学计算,这构成了 DNA 计算的基础。

由于 DNA 只有两条链,因此即使进行简单的计算也需要使用不同的 DNA 组进行多次化学反应。在现有的大多数研究中,每个反应的 DNA 都是手动一个一个地添加到单个反应管中,这使得该过程非常繁琐。微流控芯片由蚀刻在塑料等材料上的窄通道组成,提供了一种自动化过程的方法。但是,尽管有他们的希望,但使用微流控芯片进行 DNA 计算的探索仍然不足。

在最近的一篇文章中——于 2021 年 7 月 7 日在ACS Nano上在线提供并于 2021 年 7 月 27 日发表在该杂志的第 15 卷第 7 期中——来自韩国仁川国立大学 (INU) 的一组科学家提出了一种基于 DNA 的可编程可以由个人计算机控制以执行 DNA 计算的微流控芯片。“我们希望基于 DNA 的 CPU 将在未来取代电子 CPU,因为它们消耗更少的电力,这将有助于全球变暖。基于 DNA 的 CPU 还为深度学习解决方案和数学建模等复杂计算提供了平台,”领导这项研究的 INU 的 Youngjun Song 博士说。

宋博士和团队使用 3D 打印制造了他们的微流控芯片,该芯片可以执行布尔逻辑,这是计算机编程的基本逻辑之一。布尔逻辑是一种真假逻辑,它比较输入并根据所使用的操作类型或“逻辑门”返回“真”或“假”值。本实验中的逻辑门由单链 DNA 模板组成。然后使用不同的单链 DNA 作为输入。如果输入 DNA 的一部分具有与模板 DNA 互补的 Watson-Crick 序列,它就会配对形成双链 DNA。根据最终 DNA 的大小,输出被认为是真还是假。

使设计的芯片与众不同的是一个电动阀门系统,可以使用 PC 或智能手机进行操作。芯片和软件设置共同构成了一个微流体处理单元 (MPU)。得益于阀门系统,MPU 可以进行一系列反应,以快速方便的方式执行逻辑运算的组合。

这种基于 DNA 的可编程 MPU 的独特阀门系统为更复杂的级联反应铺平了道路,这些反应可以编码扩展功能。“未来的研究将集中在具有 DNA 算法和 DNA 存储系统的整体 DNA 计算解决方案上,”宋博士说。

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