基于DNA的芯片可以编程来解决复杂的数学问题

一种新型芯片可以自动控制DNA内部分子之间的反应级联，从而进行复杂的数学计算。

　　

“DNA”一词立刻让人想起包含我们所有遗传信息的双链螺旋结构。但它的两条链的单个单位是一对对分子以一种选择性的、互补的方式结合在一起。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，即使是简单的计算也需要使用不同的DNA组进行多种化学反应。在现有的大多数研究中，每个反应的DNA都是手动逐个添加到单个反应管中，这使得这个过程非常繁琐。微流控芯片由蚀刻在塑料等材料上的狭窄通道组成，提供了一种自动化这一过程的方法。尽管微流控芯片前景广阔，但它在DNA计算方面的应用仍有待探索。

在最近的一篇文章中,可在线观看,ACS Nano 2021年7月7日,发表在杂志卷15问题7 2021年7月27日,一组科学家从仁川国立大学(犬),韩国,现在可编程DNA微流控芯片,可以由个人电脑执行控制DNA计算。“我们希望基于dna的cpu在未来取代电子cpu，因为它们消耗更少的电力，有助于应对全球变暖。”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。”

宋博士和他的团队使用3D打印技术制造了他们的微流控芯片，这种芯片可以执行布尔逻辑，这是计算机编程的基本逻辑之一。布尔逻辑是一种真或假的逻辑，它比较输入并返回一个值“真”或“假”，这取决于使用的操作类型或“逻辑门”。本实验的逻辑门由单链DNA模板组成。然后用不同的单链DNA作为输入。如果输入DNA的一部分与模板DNA具有互补的沃森-克里克序列，它就会配对形成双链DNA。根据最终DNA的大小来判断输出是否正确。

这款芯片的与众不同之处在于它的电动阀系统可以用个人电脑或智能手机操作。芯片和软件组合在一起形成微流控处理单元(MPU)。由于阀门系统，MPU可以执行一系列反应，以快速和方便的方式执行组合逻辑操作。

这种基于可编程dna的MPU的独特阀门系统为更复杂的反应级联铺平了道路，可以为扩展功能编码。宋博士说:“未来的研究将集中在利用DNA算法和DNA存储系统的整体DNA计算解决方案上。”

Journal Reference:

1. Wonjin Lee, Minsang Yu, Doyeon Lim, Taeseok Kang, Youngjun Song. Programmable DNA-Based Boolean Logic Microfluidic Processing Unit. ACS Nano, 2021; 15 (7): 11644 DOI: 10.1021/acsnano.1c02153