试管计算机

　　体积小而性能惊人的DNA计算，可能就快走出实验室了。

　　文｜辛江

　　制图｜李婷婷

　　“大脑惊人的能力—远距离感知、模式识别、决策和运动控制—已经被人工智能领域借鉴，并且应用在诸如面部识别、异常检测、医学诊断和自动车辆控制等领域当中。”毕业于上海交通大学，现在加州理工大学从事博士后研究的钱璐璐在一篇名为《用DNA链置换级联实现神经网络计算》的论文中写道。她作为第一作者的这篇论文，发表在今年7月的一期《自然》杂志上。

　　在这篇文章里，钱璐璐和她的同事Erik Winfree设计了几种用DNA分子构建的逻辑门，并且用它们实现了神经网络算法。神经网络算法的数学基础是线性阈值函数：输入的信号会被乘以某种权重，只有当结果大于某个特定的阈值时，才会释放出指定的输出信号。这种算法在电子计算机上已经相当成熟，但是用基于生物分子的DNA计算方式实现，还是第一次。

　　DNA计算是一个新领域。人们希望使用DNA之间的反应来完成运算过程，如果可以的话，这种方式可能比现在的电子计算机更快、更小，足以把今天的电子计算机变成像算盘那样的老古董。

　　人们早已经知道DNA由A、C、G、T四种碱基构成，其中A、T和G、C之间彼此配对，构成一条像是拉链般彼此啮合的双螺旋，存储了生物的遗传密码。DNA计算的研究者们认为可以把要运算的对象编码成DNA分子链，并且在生物酶的作用下让它们完成计算，借由大量DNA分子的并行运算获得远超今天电子计算机的性能。人们已经证明了这样的运算是可行的，但是面临的诸多实验问题，让这个领域在很长时间里只能停留在纸面上。

　　直到1994年，传奇人物Leonard Adleman首次用DNA计算的方式解决了七顶点的旅行商问题之后，DNA计算才真正成为现实。在旅行商问题中，要求获得最优路径，让每个顶点都能经过且只经过一次。Adleman把每个顶点和每条路径都编码成DNA分子，其中路径编码刚好和两个顶点的编码互补。再把这些DNA分子和合适的酶放进试管，在合适的条件下，只需要几秒钟的时间，DNA分子们就已经相互组合成了DNA链。正确答案已经在试管中形成，只需要挑选出来即可。

　　但是在当年，挑选正确答案的过程就花了7天时间。研究者先用电泳技术把合适长度的DNA链分拣出来，用亲和力萃取技术选出所有包含第一个顶点的DNA链，再从中分出同时包含第二个顶点的DNA。以此类推，在经过七次萃取之后，获得了同时包含七个顶点的DNA链，以及连接它们的八条线路。历史上第一次，在试管里进行的生物计算，获得了数学问题的答案。虽然它的效率很低，但是就像世界上第一台机械计算机在计算乘法的时候需要几秒钟、最早的电子计算机每秒钟只能完成5000次计算一样，它还有很大的进步空间。

　　Adleman试验的成功，开启了DNA计算研究的新一波热潮。现在全球已经有无数的研究机构投入到DNA计算的研究当中，希望能够以这种“蚂蚁雄兵”的思路突破电子计算机计算能力的瓶颈。

　　而钱璐璐等人近期在《科学》和《自然》期刊上发表的两篇论文，把DNA计算又向前推进了一步。他们已经用DNA分子构建出了进行逻辑运算的门元件—这正是现代电子计算机的基础。门元件能够完成简单的逻辑判断工作，许多门元件组合在一起能完成复杂的计算。在6月份发表于《科学》杂志的《增大DNA链置换级联的数字电路计算规模》中，试管中的微小计算者能够在十个小时内计算出小于15的整数的平方根，而在近期发表的《用DNA链置换级联实现神经网络计算》中，研究者已经能和试管里的DNA分子玩游戏了。

　　和电子计算机不同，在DNA计算中，门元件由试管里的溶液分子组成。同样，它的信号不是电子的流入和流出，而是接收和发出分子。这些分子信号从一个特定的逻辑门运动到另一个，一旦找到合适的地方就驻扎下来，就像是有一条无形的导线把电路连接起来一样。

　　Erik Winfree在2006年第一次构造出这样的生化电路，使用了12个不同的DNA分子。在6月份公布的新设计中，他们使用了74个DNA分子，开发出的门元件更简单更可靠。这种新型门元件由DNA单链和DNA半双链—一部分双链一部分单链构成的DNA分子—组成。单链条作为输入和输出信号，能够与半双链DNA分子相互作用。

　　“DNA分子在溶液中自由运动，有时会碰撞在一起，”Winfree说，“如果两个相遇的DNA分子有着互补的序列，单链就会扣在半双链的多出来的单链上，并将之前的半双链解开，释放出一个新的自由单链。”这样的过程会持续下去，直到获得足够的输出信号为止。

　　神经网络也是类似。112种不同的DNA链构成了四个相互联系的人工神经元，研究人员和这些神经元玩类似“十三猜”的游戏，证明了这个简单的系统拥有推测的能力—这正是大脑所具备的独特能力之一。“我们试图借鉴那些算法、编程语言以及编译器之类已经由电子计算机验证过的成功理念，并把它们应用到分子生物学当中。” 钱璐璐说。

　　虽然这是一个令人惊艳的新突破，但是并不意味着这种技术会很快取代我们的桌面电脑。目前对于DNA计算的研究主要着眼于探索智能的奥秘，以及设计拥有决策能力的DNA芯片。更可能的场景是在医院和研究所中—精心设计的生化电路可能可以用来检测血液样本中各种分子的浓度水平，并且帮助做出病理诊断。要看到DNA计算出现在家庭当中，可能还需要很长的时间。

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