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鐘良樞研究員榮獲中科院上海分院“杰出青年科技創新人才”稱號
上海高研院基于開關電路的DNA計算取得進展
文章來源:    發布時間:2020-01-15

近日,上海高等研究院光源科學中心物理生物學研究室、上海應用物理研究所和上海交通大學合作開發了一種基于DNA鏈置換反應的開關電路來實現數字運算。與常用的邏輯門電路相比,開關電路結構精簡,可以用最少的DNA序列實現高信噪比和快速計算的分子電路。他們展示了迄今為止最為快速的4位平方根運算。相關論文以“Implementing digital computing with DNA-based switching circuits”為題發表于Nature Communicationshttps://www.nature.com/articles/s41467-019-13980-y),王飛和呂慧為共同第一作者,樊春海與中國科學院上海高等研究院和上海應用物理研究所王麗華為共同通訊作者。 

DNA計算旨在利用DNA分子反應來實現數字運算功能,是生物計算領域的重要組成部分。特別的,DNA鏈置換反應為構建常溫下運行的復雜數字電路提供了重要工具。DNA鏈置換反應是利用DNA分子雜交的自由能差異,以一條單鏈序列將另一條單鏈從雜交DNA雙螺旋結構中取代下來用于后續反應,具有精確的序列正交性。然而,迄今為止的DNA數字運算電路均基于邏輯門來實現,電路較為復雜,而隨著參與反應的DNA鏈數目增加,其運算速度和信噪比均受到限制。而開關電路則是由信息論創始人香農(Claude Elwood Shannon)在在電子電路發展的早期階段就提出來的一種方法,可以高效、經濟地實現任意數字功能,是構成現代通訊的基礎。受此啟發,樊春海團隊提出了一種模塊化的DNA分子開關,通過構建DNA開關電路在實驗上實現了任意功能的數字運算。 

類似于電子開關電路,該DNA開關電路通過開關信號控制電流信號的傳輸,電流信號傳輸的方向可以通過反應路徑中分子自由能的差異來精確控制。上游開關僅具有S結構域響應開關信號,而下游開關具有C結構域和S結構域分別響應上一級的電流信號和自己的開關信號。其中,S域實現功能控制,C域實現電流信號傳輸。利用DNA分子開關,他們設計了一個功能完備的“開關畫板”,任意的邏輯功能均可通過真值表到“畫板”上電流通路的映射實現。該DNA開關電路在實驗上可實現包括簡單邏輯運算、扇入扇出結構、復雜組合邏輯電路、全加器、4 bit開根號運算等多種電路結構和功能。所有電路的運算時間均在10分鐘以內,展示了迄今為止最快的復雜DNA數字運算。 

DNA開關電路作為一種新的DNA計算體系實現方式,為發展分子計算機和開發具有綜合決策能力或復雜行為能力的納米機器奠定了基礎。 

1:基于DNA開關電路的布爾計算示意圖

2:用于平方根計算的DNA開關電路示意圖

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