新型DNA微流控芯片可通过编程解决复杂数学问题

摘要:

据外媒报道,术语“DNA”立即会让人想到包含我们所有遗传信息的双链螺旋。但是它的两条链的单个单位是一对分子,以一种选择性、互补的方式相互结合在一起。事实证明,人们可以利用这种配对的特性来进行复杂的数学计算,这就构成了DNA计算的基础。

由于DNA只有两条链,所以即使进行简单的计算也需要使用不同的DNA组进行多个化学反应。在现有的大多数研究中,每个反应的DNA都是手工一个一个地加入到一个反应管中,这使得这个过程非常麻烦。微流控芯片由蚀刻在塑料等材料上的狭窄通道组成,提供了一种使该过程自动化的方法。尽管微流控芯片很有前景,但其在DNA计算方面的应用仍没有得到充分的开发。

近日,来自韩国仁川国立大学(INU)的科学家团队提出了一种基于DNA的可编程微流控芯片,它可以由个人电脑控制、进行DNA计算。“我们的希望是,基于DNA的CPU将在未来取代电子CPU,因为它们消耗的电力更少,这将有助于解决全球变暖问题,”领导这项研究的INU的Youngjun Song博士说道,“基于DNA的CPU还为复杂的计算提供了一个平台,如深度学习解决方案和数学建模。”

Song博士和团队使用3D打印技术制造了他们的微流控芯片,它可以执行布尔逻辑,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,它比较输入并返回一个“真”或“假”的值,这取决于所使用的操作类型,或“逻辑门”。本实验中的逻辑门由一个单链DNA模板组成。然后用不同的单链DNA作为输入。如果输入的DNA的一部分跟模板DNA有互补的Watson-Crick序列,它就配对形成双链DNA。根据最终DNA的大小,输出被认为是真或假。

使得所设计的芯片非同寻常的是一个马达操作的阀门系统,其可使用PC或智能手机来操作。芯片和软件设置共同构成了一个微流控处理单元(MPU)。由于有了这个阀门系统,MPU可以进行一系列的反应,从而以快速和方便的方式执行一系列逻辑操作组合。

这种基于可编程DNA的MPU的独特阀门系统为更复杂的级联反应铺平了道路,这些反应可以为扩展功能编码。Song表示:“未来的研究将集中于具有DNA算法和DNA存储系统的整体DNA计算解决方案。

有了这样一个令人信服的概念证明,大家不难想象基于DNA的计算机很快就会成为日常用品。

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