交大Nature發文，在DNA計算領域取得重要進展

　　上海交通大學化學化工學院/變革性分子前沿科學中心樊春海院士與王飛副教授近期發展了一種支持通用性數字計算的DNA可編程門陣列（DNA-based programmable gate array, DPGA），可通過分子指令編程的方式實現通用數字DNA計算，實現了無衰減大規模液相分子電路的構建。該成果近日發表于《自然》（Nature）雜志。

　　1994年，圖靈獎得主Adleman提出利用DNA的堿基互補配對原則來發展生物計算。自那以后，基于DNA分子間相互作用的液相DNA分子計算，已在高并行編碼與執行算法方面展現出巨大的潛能。此前，研究者利用DNA分子反應網絡，成功實現了細胞自動機、邏輯電路、決策機器、神經網絡等多種功能。然而，現有的DNA計算體系僅能針對特定功能進行硬件定制。而在電子計算機領域，通用性集成電路（如FPGA）可通過軟件編程的方式執行各種運算功能，而無需從頭設計制造硬件，這為研發計算機器提供了高階平臺。因此，如何發展具有通用性的DNA運算元件的編程與集成已成為制約DNA計算領域發展的瓶頸。

　　針對這一挑戰性問題，研究團隊首先證明了利用單鏈DNA作為統一傳輸信號（DNA-UTS），可實現類似電子在電路中傳輸的功能。進而，開發了一種支持通用性數字計算的DPGA，并支持器件層次的多DPGA集成，實現了器件內的可編程性和器件間可集成性。如（圖1），當電路的復雜度超出單個DPGA可執行規模時，DPGA可分解為多個子任務，并生成對應的分子指令；每一個子電路的分子指令通過邏輯地址調用并連接參與運算的DNA元件，實現DPGA的編程；子電路之間的信號傳輸則通過DNA折紙寄存器介導的多DPGA布線實現，從而實現器件級的多DPGA集成。

　　利用DPGA的可編程性與高集成度，本研究突破了DNA分子計算在電路規模和電路深度的瓶頸，首次在實驗上展示了高達30個邏輯元件、500條DNA鏈，包含30層DNA鏈取代反應的電路規模。這也代表了近20年來DNA計算領域的新突破（圖2）。

　　進一步的研究發現DNA-UTS在跨越多個DPGA傳輸的過程中沒有顯著衰減，證明了DPGA的高度可擴展性。這預示著任何實際問題，理論上都可以在模數轉換后，通過DNA-UTS接入DPGA電路。本研究中概念性展示了將DPGA作為為分子診斷中的信息處理核心，對疾病相關的分子靶標進行非線性分類。

　　這項工作得到了國家自然科學基金委、科技部、上海市科委、新基石科學基金會等項目的資助。