Nature：可编程也可自行组装的人造DNA问世

来源：科研圈

美国加州大学戴维斯分校、爱尔兰梅努斯大学和美国加州理工学院的计算机科学家研发出一种 DNA 分子，它可通过自身运行程序自行组装。该研究于今年3月发表于《自然》杂志。

图片来源：加州理工学院

“我们的终极目标是利用运算实现结构生长和更复杂的分子工程，”该研究的共同一作、加州大学戴维斯分校计算机科学助理教授 David Doty 说道。

这个系统与计算机类似，但它不使用晶体管和二极管，而是使用分子来代表一个二进制的 6 位数（例如，011001）。该研究小组开发了多种可通过分子运算的算法。

 “能设计这种多元性算法，我们自己也感到惊讶，虽然目前只能进行 6 位输入。” Doty 说，在实验过程中研究人员设计并运行了 21 种算法，这展示了系统具备的潜力。

Doty 是加州理工学院 Erik Winfree 教授的博士后，作为本文的共同一作，他和梅努斯大学的 Damien Woods 一起设计了文库来储存这些 DNA 片段。每个 DNA 片段包含由 42 个碱基（A，C，G 或 T），共分为四个结构域，每个结构域内含 10-11 个碱基。每一个结构域代表 1 或 0，它们可以与其他片段的结构域粘在一起。没有任何两块 DNA 片段是完全匹配的。

这四个结构域中分别有两个“输入”和两个“输出”。在电子二极管、晶体管或逻辑闸中，输入端为 0 或 1 的值在输出端会被给予一个已知值。类似地，研究人员选择从某些 DNA 片段开始编程，在另一端就会得到一个已知的输出。

从最初的 6 位输入开始，系统一排接一排地添加 DNA 分子，逐步运行算法。成排的 DNA 链粘在一起进行计算，这和（普通计算机计算时）电流通过电路不同。

这就像搭建一组乐高积木，其中的一些积木会自发地搭到其它积木上。研究人员首先选择一组积木，将它们混在一起，然后观察它们自行组装成一个结构。

这个程序的最终结果有点像用 DNA 编织的围巾，按初始程序将DNA 片段粘结在一起组成一种模式。计算结果通过原子力显微镜读取，这种显微镜可以检测到附着在 DNA 上的标记分子。

该团队能够演示各种任务的算法，包括计数练习、随机漫步以及绘制如之字形、钻石以及 DNA 中的双螺旋等图形。

开始这项工作时，Doty 和 Woods 的身份是理论计算机科学家，所以他们必须掌握一些“湿式实验室”技能（指在液体溶液或挥发性相中处理化学品、药物或其他物质或生物物质，需要直接通风和专门的管道设施）。Winfree 说，未来分子编程可能在更高层次运行，就好像如今的程序员不需要理解晶体管物理学一样。

目前 Doty 在加州大学戴维斯分校从事分子编程的理论研究。他对 DNA 有特殊兴趣，因为 DNA 以分子形式表示信息，而且相对容易操作。

“这是分子生物学家给我们计算机科学家的绝妙礼物，”他说。

论文信息

【标题】Diverse and robust molecular algorithms using reprogrammable DNA self-assembly

【作者】Damien Woods, David Doty, Cameron Myhrvold, Joy Hui, Felix Zhou, Peng Yin & Erik Winfree

【时间】2019 年 3 月 20 日

【期刊】Nature

【链接】https://www.nature.com/articles/s41586-019-1014-9 

【DOI】10.1038/s41586-019-1014-9

【摘要】Molecular biology provides an inspiring proof-of-principle that chemical systems can store and process information to direct molecular activities such as the fabrication of complex structures from molecular components. To develop information-based chemistry as a technology for programming matter to function in ways not seen in biological systems, it is necessary to understand how molecular interactions can encode and execute algorithms. The self-assembly of relatively simple units into complex products1 is particularly well suited for such investigations. Theory that combines mathematical tiling and statistical–mechanical models of molecular crystallization has shown that algorithmic behaviour can be embedded within molecular self-assembly processes2,3, and this has been experimentally demonstrated using DNA nanotechnology4 with up to 22 tile types5,6,7,8,9,10,11. However, many information technologies exhibit a complexity threshold—such as the minimum transistor count needed for a general-purpose computer—beyond which the power of a reprogrammable system increases qualitatively, and it has been unclear whether the biophysics of DNA self-assembly allows that threshold to be exceeded. Here we report the design and experimental validation of a DNA tile set that contains 355 single-stranded tiles and can, through simple tile selection, be reprogrammed to implement a wide variety of 6-bit algorithms. We use this set to construct 21 circuits that execute algorithms including copying, sorting, recognizing palindromes and multiples of 3, random walking, obtaining an unbiased choice from a biased random source, electing a leader, simulating cellular automata, generating deterministic and randomized patterns, and counting to 63, with an overall per-tile error rate of less than 1 in 3,000. These findings suggest that molecular self-assembly could be a reliable algorithmic component within programmable chemical systems. The development of molecular machines that are reprogrammable—at a high level of abstraction and thus without requiring knowledge of the underlying physics—will establish a creative space in which molecular programmers can flourish.