加州理工学院钱璐璐

加州理工学院钱璐璐：利用人工合成的DNA制成迄今最复杂生化电路

2011

美国加州理工学院研究人员利用人工合成的DNA（脱氧核糖核酸）分子，在试管中制成了迄今最复杂的生化电设计这样的电路，目的并非要与电子计算机竞争，而是用来探索生物系统处理信息的原理。

在传统计算机中，集成电路的基本元件逻辑门由晶体管制成，但在这一新制成的生化电路中，逻辑门由短的单链链特征DNA组成。晶体管以电子流入和流出晶体管作为信号，而DNA逻辑门以接收和发出分子作为信号。

研究人员在最新一期《科学》杂志上报告说，他们设计了多个电路，其中最大的一个包括74个不同的DNA分超过15的整数的平方根，给出的答案是小于该平方根的最大整数。研究人员通过监测试管溶液中输出信号分子的浓案。整个运算过程需要大约10个小时。

研究人员表示，设计具有决策能力的生化电路，可以帮助更好掌控应用于生物工程、化学工程以及生化工业中的说在未来，一个设计合成的生化电路可以被放入临床血液样本中，检测各种分子在样本中的水平，然后根据这些信息断。

“我们试图借用已为电子世界带来巨大成功的理念，例如对运算的抽象、编程语言以及编译器，并将它们应用到中，”论文第一作者、加州理工学院生物工程系博士后钱璐璐说。

此前在实验室里制造的生化电路普遍具有局限性，因为当电路的规模增大时，工作的稳定性和可预测性也随之降说，造成这种局限性最可能的原因是，不同的电路功能需要用不同结构的分子元件来实现，这样当电路变得越来越大试的难度也随之增加。在此次设计的新生化电路中，分子元件的结构非常简单且标准化，运作稳定且容易升级。

钱璐璐说，在计算机工业中，大家努力制造越来越好的计算机，“我们也在做相同的努力。我们要制造越来越好成更加尖端的任务，让分子设备根据它们的环境而行动。”

裔博士最新Science文章走在世界最前沿

点击次数：360 发布时间：2011-6-7

来自加州理工学院生物工程系，计算机科学、计算与神经系统学的研究人员利用人工合成的DNA分子，在试管中完成了迄今最复杂的生化电路。这种电路可以用来探索生物系统处理信息的原理。这一研究成果公布在Science杂志上。

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这项研究由加州理工学院Erik Winfree教授和上海交大Bio-X中心博士生钱璐璐(现在在加州理工学院)共同完成，这一研究组主要从事体外环境下DNA与酶参与的生物分子自行运算的理论与工程学研究。钱璐璐博士2007年于上海交大Bio-X中心获得博士学位，现在加利福尼亚理工学院从事研究工作，主要研究领域是生物纳米技术与DNA分子计算。

据EurekAlert报道，之前在实验室里制造的生化电路普遍具有局限性，因为当电路的规模增大时，它们工作的稳定性和可预测性也随之下降，带来这种局限性最可能的原因是，不同的电路功能需要用不同结构的分子元件来实现，这样当电路变得越来越大时，其制造和调试的难度也随之增加。

在这篇文章中，研究人员运用一种新型的DNA分子元件构造出目前最大的人工生化电路，这一分子元件的结构非常简单且标准化、运作稳定且容易升级，意味着更加大型和复杂的电路也将可以被构造和稳定的工作。

这种生化电路可以使研究人员探索生物系统处理信息的原理，以及设计具有决策能力的生化通路。这种电路将会赋予生化学家对应用于生物工程、化学工程以及生化工业中的分子反应前所未有的掌控能力。比如说在未来，一个设计合成的生化电路可以被放入临床血液样本中，检测各种分子的在样本中的水平，然后根据这些信息作出病理学的诊断。

Winfree教授等人在2006年曾首次构造出这样一个生化电路。在之前研究中，DNA信号分子将几个不同的DNA 逻辑门相连，组成被称为多层的电路。但是这一早期的电路只有12个不同的DNA分子，而且从一个单独的逻辑门到一个五层的电路，运算的速度降低了几个数量级。

而在钱璐璐和Winfree教授新的设计中，逻辑门变得更加简单和可靠，他们做出的电路比之前至少复杂了五倍。他们的新型逻辑门由短的DNA单链和DNA半双链组成。在半双链中，单链部分就像是从双螺旋末端延伸出的尾巴。单链作为输入和输出信号与半双链DNA分子相互作用。

钱璐璐和Winfree教授运用他们的方法制造出若干个电路，其中最大的一个包括74个不同的DNA分子，可以计算一个不超过15的整数(也就是任意四位二进制数)的平方根，给出的答案是小于该平方根的最大整数。研究人员通过监测输出信号分子的浓度读取计算的答案。整个运算过程需要10个小时左右，因此它不可能很快就取代你的笔记本电脑。但是这种电路的目的并不是与电子计算机竞争，而是带给科学家对生化过程的逻辑控制。

这一电路有几个新的特性。因为生化反应从来都不是完美的，例如，分子并不总是遵守规则的结合——这就是系统所固有的噪音。这意味着分子信号从来也不会是绝对的0或者1，不会像理想的二进制逻辑所要求的那样。但是这种新的逻辑门可以通过压制和放大信号来处理噪音，比如说，提升一个80%的信号到接近100%，或者抑制一个10%的信号到接近不存在。

这些电路元件还是可调的。通过调整某些DNA分子的浓度，研究人员可以变换任意一个逻辑门的功能。这些电路也是多功能的，所有元件可以即插即用来重新组装成不同的电路。由于这些逻辑门的分子结构非常简单，它们还支持更加有效的高通量合成方法。

来源：生物通

华裔博士6，7月连发Nature、Science文章

【字体：大中小】时间：2011年7月21日来源：生物通

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摘要：来自加州理工学院生物工程系，计算机科学系、计算与神经系统学系及电子工程系的

研究人员首次在试管中用DNA构造出了人工神经网络，这一人工神经网络可以像大脑一样根

据不完整的信息回想起相关的记忆。这标志科研人员在通往人工智能的道路上迈出了重要的

一步。这一研究成果公布在7月20日的《自然》杂志上。

生物通报道来自加州理工学院生物工程系，计算机科学系、计算与神经系统学系及电子工程系的研究人

员首次在试管中用DNA构造出了人工神经网络，这一人工神经网络可以像大脑一样根据不完整的信息回想