科學家們日前開發出一款利用一滴水中數十億 DNA 分子進行運算的 DNA 計算機，相關研究成果已發表於國際學術期刊《自然》。研究團隊將此次開發的系統命名為「支架 DNA 計算機」。與電子計算機或生物計算機在運算過程中持續消耗能量不同，這款系統利用熱力學原理設計，能夠將運算過程中的能量消耗降至最低。
該系統由長鏈 DNA 骨架和與之結合的短鏈 DNA 片段組成。將這些片段放入少量鹽溶液中加熱再冷卻後，它們會按照預先設計的規則自動形成結構。每個 DNA 片段就像微小的分子拼圖碎片，其與哪些片段結合、結合在骨架的哪個位置，均由 DNA 鹼基序列決定。研究團隊通過設計這些結合規則對系統進行「編程」，從而執行預期的運算。
支架 DNA 計算機具備可編程和可重複使用的特性
研究團隊介紹，每個程序由特定 DNA 片段組合構成，執行不同運算或應用新輸入時，只需取出並混合不同的 DNA 片段即可。雖然運算在微觀分子層面進行，但參與的分子數量極為龐大。研究團隊成員、愛爾蘭梅努斯大學計算機科學助理教授阿比爾·埃斯赫拉指出，一滴小小的液滴中就含有數十億至數萬億條 DNA 片段，它們同時相互作用並產生結果。
研究團隊利用支架 DNA 計算機成功執行了加法、三倍運算、除以二以及 8 位奇偶校驗等多種運算，在實驗過程中共完成 700 多次成功測試。簡單運算在一分鐘內即可完成，考慮到實際化學反應的時間通常超過一分鐘，這一速度已相當可觀。不過隨著運算規模擴大，耗時亦會增加，處理約 1,100 萬至 3,400 萬之間複雜數值的運算最長需耗時 14 小時。
研究團隊表示，這證明瞭支架 DNA 計算機具備可編程和可重複使用的特性，雖然比矽基計算機慢，但相較於現有的其他 DNA 計算機速度更快。該系統還支持重複使用，傳統分子計算機往往僅限於一次性實驗，而支架 DNA 計算機的同一組分子最多可重複使用 24 次。更值得注意的是，在首次實驗一年半後部分乾燥的狀態下，重新加水後仍能正常工作。
埃斯赫拉教授強調，分子計算機不會完全取代現有電子計算機，但在生物環境中的運算、智能材料、DNA 數據存儲等領域具有應用潛力，尤其系統內置的數據自我糾錯功能，為 DNA 數據存儲提供了新的可能。
