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        模擬DNA電路在試管中進行數(shù)學運算
        
			
        
				2019-01-16 11:31:06
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        DNA通常被描述為生命的藍圖，其中包含了使每個生物從人類飛到家中的指示。但近幾十年來，一些研究人員將遺傳密碼的字母用于不同的用途：制作小型納米級計算機。在一項新的研究中，由John Reif教授領導的杜克大學研究小組創(chuàng)造了一系列合成DNA，當它們在試管中以適當?shù)臐舛然旌显谝黄饡r，形成一個模擬電路，可以在它們形成和斷裂時加上，減去和相乘。
        

        模擬DNA電路在試管中進行數(shù)學運算
        

        DNA 電路不是電壓，而是使用特定DNA鏈的濃度作為信號。其他團隊設計了基于DNA的電路，可以解決從計算平方根到玩井字游戲等問題。但是大多數(shù)DNA電路都是數(shù)字的，其中信息被編碼為一系列零和一。
        

        相反，新的Duke設備通過直接測量特定DNA分子的不同濃度以模擬方式進行計算，而無需特殊電路將它們首先轉(zhuǎn)換為零和1。
        

        研究人員在8月份的ACS合成生物學雜志上描述了他們的方法。
        

        Reif說，與大多數(shù)現(xiàn)代電子產(chǎn)品中使用的硅基電路不同，DNA電路的商業(yè)應用還有很長的路要走。
        

        首先，試管計算很慢。獲得答案可能需要數(shù)小時。
        

        “我們可以做一些有限的計算，但我們甚至無法開始考慮與現(xiàn)代PC或其他傳統(tǒng)計算設備競爭，”Reif說。
        

        但DNA電路可能比硅制成的電路要小得多。與電子電路不同，DNA電路在潮濕的環(huán)境中工作，這可能使它們可用于血液內(nèi)部的計算或細胞的濃郁，狹窄的部分。
        

        該技術利用DNA的自然拉鏈和解壓縮功能來執(zhí)行計算。就像維可牢尼龍搭扣和磁鐵有互補的鉤子或桿子一樣，DNA的核苷酸堿基以可預測的方式配對和結合。
        

        研究人員首先制作短片合成DNA，一些是單鏈的，一些是雙鏈的單鏈末端，然后將它們混合在一個試管中。
        

        當單鏈在一個部分雙鏈的末端遇到完美匹配時，它會鎖定并結合，取代先前結合的鏈并使其分離，就像有人切入跳舞的情侶一樣。
        

        新釋放的鏈可以與電路下游的其他互補DNA分子配對，產(chǎn)生多米諾骨牌效應。
        

        研究人員通過在反應達到平衡時測量特定輸出鏈的濃度來解決數(shù)學問題。
        

        為了了解他們的電路在反應過程中如何隨著時間的推移而發(fā)揮作用，Reif和Duke研究生Tianqi Song使用計算機軟件來模擬一系列輸入濃度下的反應。他們還在實驗室進行了實驗測試。
        

        除了加法，減法和乘法，研究人員還設計了更復雜的模擬DNA電路，可以進行更廣泛的計算，如對數(shù)和指數(shù)。
        

        幾十年前傳統(tǒng)計算機已經(jīng)數(shù)字化了。但研究人員表示，對于DNA計算而言，模擬方法有其優(yōu)勢。一方面，模擬DNA電路比數(shù)字電路需要更少的DNA鏈，Song說。
        

        模擬電路也更適合于感測信號，這些信號不適用于簡單的開關，全部或全部值，例如生命體征和診斷和治療疾病所涉及的其他生理測量。
        

        希望是，在遙遠的未來，可以對這些裝置進行編程，以檢測特定的血液化學物質(zhì)是否位于被認為正常的值范圍之內(nèi)或之外，并釋放特定的DNA或RNA-DNA的化學表親 - 具有藥物樣影響。
        

        Reif的實驗室也開始研究基于DNA的設備，這些設備可以檢測特定類型癌細胞的分子特征，并釋放刺激免疫系統(tǒng)反擊的物質(zhì)。
        

        “即使非常簡單的DNA計算仍然可能對醫(yī)學或科學產(chǎn)生巨大影響，”雷夫說。
        
			

			
          
        
			
        
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