石 強(qiáng)1a， 王 燕1b， 肖 瑋2， 石曉龍2， 薛志東

(1.華中科技大學(xué) a.軟件學(xué)院; b.生命學(xué)院, 湖北 武漢 430074； 2.廣州大學(xué) 計(jì)算科技研究院, 廣東 廣州 510006)

計(jì)算機(jī)科學(xué)家將計(jì)算問(wèn)題劃分為容易、困難和不可計(jì)算三類(lèi).電子計(jì)算機(jī)能夠勝任容易類(lèi)的計(jì)算問(wèn)題，但由于芯片微處理能力等因素的限制，其無(wú)法處理困難類(lèi)問(wèn)題，如 NP-完全問(wèn)題.隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)計(jì)算中需要解決的問(wèn)題極其復(fù)雜，因而量子計(jì)算機(jī)、光學(xué)計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)、分子生物計(jì)算機(jī)等新型的高性能信息處理模式得到了快速的發(fā)展. 其中，DNA 分子不僅具有特異性雜交、微小性等天然特性，還具有高密信息存儲(chǔ)能力、 強(qiáng)大并行運(yùn)算能力等性質(zhì)， 使得 DNA 計(jì)算引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注， 成為下一代信息處理技術(shù)研究熱點(diǎn)[1-2].

目前， DNA 計(jì)算已經(jīng)成為新型計(jì)算模型研究的焦點(diǎn)， 其與各類(lèi)控制技術(shù)相結(jié)合，形成了基于鏈置換的 DNA 計(jì)算、 基于核酶的 DNA 計(jì)算、基于瓦片的DNA 計(jì)算、 基于納米顆粒的 DNA 計(jì)算、細(xì)胞內(nèi) DNA 計(jì)算、表面 DNA 計(jì)算等多種模型.這些 DNA 計(jì)算模型的深入研究，不僅直接影響著芯片領(lǐng)域以及大規(guī)模計(jì)算領(lǐng)域，而且還對(duì)邏輯研究、密碼破譯、生物醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響. 例如，未來(lái)的基于 DNA 計(jì)算的分子密碼體系以及細(xì)胞內(nèi)利用 DNA 計(jì)算控制釋放藥物等應(yīng)用. 盡管 DNA 計(jì)算已經(jīng)取得了矚目的進(jìn)展，但是其研究總體還是處于剛剛起步的階段，還有大量的諸如模型設(shè)計(jì)與優(yōu)化、DNA 編碼、解的檢測(cè)、 解空間指數(shù)爆炸、 偽解排除等根本性問(wèn)題亟待解決[3].

研究表明,DNA計(jì)算模型具有如下優(yōu)勢(shì)[4]:①高度的并行性;②存儲(chǔ)容量極大；③可將問(wèn)題的非解排除在初始解空間之外，降低了問(wèn)題求解的復(fù)雜度；④具有低能耗的特點(diǎn),在同樣計(jì)算量的條件下，分子計(jì)算機(jī)需要的能量?jī)H為電子計(jì)算機(jī)的十億分之一；⑤能夠在更細(xì)微水平上實(shí)現(xiàn)精確的計(jì)算，如擴(kuò)展了在單分子納米水平上的計(jì)算手段.DNA 計(jì)算的研究成果能夠?yàn)槊艽a系統(tǒng)的破譯、 NP 困難問(wèn)題求解、 大規(guī)模圖像信息處理、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與優(yōu)化等等提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐；能夠盡可能發(fā)揮DNA 計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，為國(guó)防建設(shè)、 信息安全、基礎(chǔ)科學(xué)研究、 生命科學(xué)研究等方面提供更好的服務(wù).

1 DNA計(jì)算

1.1 DNA計(jì)算的過(guò)程

基于硅材料的微電子技術(shù)，由于工藝技術(shù)和基本理論上的局限， 使得現(xiàn)有電子計(jì)算機(jī)無(wú)法滿足科技發(fā)展對(duì)計(jì)算能力的需求. 人們逐步探索包括 DNA 計(jì)算[5]、膜計(jì)算[6]、細(xì)胞計(jì)算[7]在內(nèi)的生物計(jì)算技術(shù). 由于具有強(qiáng)大的存儲(chǔ)能力以及并行計(jì)算特性, DNA 計(jì)算始終是新型計(jì)算機(jī)領(lǐng)域研究的熱門(mén).DNA計(jì)算開(kāi)創(chuàng)性的工作是由Adleman[8]提出的 DNA 計(jì)算模型，該模型將計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)換為圖中頂點(diǎn)和邊的關(guān)聯(lián)，通過(guò)對(duì)相鄰頂點(diǎn)邊的有一定重疊的 DNA 編碼， 利用雙鏈 DNA 的雜交反應(yīng)，成功解決了有向圖的哈密爾頓路問(wèn)題.隨后多種DNA計(jì)算模型被提出. DNA 計(jì)算的一般流程如圖 1所示，主要包括： ①依據(jù)具體問(wèn)題，建立相應(yīng)的約束條件，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行 DNA 編碼； ②按照確定的編碼，合成 DNA 鏈，并準(zhǔn)備相應(yīng)的生物酶、相關(guān)試劑等； ③經(jīng)過(guò)生物可行性操作，實(shí)施 DNA 計(jì)算，得到問(wèn)題的可能解；④利用計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，將所需問(wèn)題的解全部檢測(cè)出來(lái)，并輸出. 到目前為止，DNA 計(jì)算的研究已經(jīng)涉及到 DNA 計(jì)算模型、 DNA 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、 DNA 計(jì)算的應(yīng)用等諸多方面.

圖1 DNA計(jì)算的一般過(guò)程Fig.1 The general flowchart of DNA computing

1.2 DNA計(jì)算模型

DNA計(jì)算模型主要包括粘貼模型、發(fā)夾模型、質(zhì)粒DNA模型等基于DNA分子結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，剪接模型、自組裝模型等基于生物操作機(jī)理的DNA計(jì)算模型.而從實(shí)驗(yàn)角度出發(fā)，DNA計(jì)算模型可分為試管型、表面型和芯片型等.具體如圖2所示.

圖2 DNA計(jì)算模型的分類(lèi)Fig.2 The categories of DNA computing models

考慮到DNA的特性及其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，這里的DNA計(jì)算模型，主要介紹基于DNA分子結(jié)構(gòu)的模型和基于生物操作機(jī)理的模型.

粘貼模型是指將問(wèn)題轉(zhuǎn)換為 0、 1 二值問(wèn)題， 通過(guò)單雙鏈的混合生化操作完成對(duì)解的搜索.該模型最早是由Roweis等[9]提出的，主要是為采用單、雙鏈混合型的DNA分子進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)電子計(jì)算機(jī)中的0、l編碼，將特定的酶看作數(shù)據(jù)處理“軟件”，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)具體信息的處理任務(wù).這里主要涉及到粘貼機(jī)模型，該模型可以提供合并、分離、設(shè)置、清除和清空等元操作.在DNA計(jì)算過(guò)程中，將這些諸如此類(lèi)的元操作按照邏輯關(guān)系組織起來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)求解具體問(wèn)題的DNA算法.因而，粘貼機(jī)模型實(shí)際上是通用平臺(tái)，它將低層生物反應(yīng)與高層計(jì)算隔離開(kāi)來(lái)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)具體問(wèn)題的解決方案.在這個(gè)框架平臺(tái)下，研究者不需要考慮底層硬件的實(shí)現(xiàn)，而僅需關(guān)注于設(shè)計(jì)針對(duì)具體問(wèn)題的具體方案流程.粘貼模型已廣泛地用于求解NP-完全問(wèn)題，例如圖的最大團(tuán)與最大獨(dú)立集問(wèn)題、圖的頂點(diǎn)著色問(wèn)題、頂點(diǎn)覆蓋問(wèn)題、可滿足性問(wèn)題、圖的同構(gòu)問(wèn)題等[10-14].一個(gè)典型的應(yīng)用是殷志祥等[15]基于分子信標(biāo)的 DNA計(jì)算模型，可以有效降低單雙鏈切換過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)配率，很好地實(shí)現(xiàn)了3-可滿足性問(wèn)題的求解.

發(fā)夾模型最早是由Sakatomo等提出的，該模型能夠解決更大規(guī)模的可滿足問(wèn)題.該模型計(jì)算的主要思路：巧妙的利用發(fā)夾結(jié)構(gòu)將邏輯運(yùn)算的約束條件編碼在DNA分子中，實(shí)現(xiàn)DNA分子的自組織過(guò)程實(shí)現(xiàn)計(jì)算，并利用內(nèi)切酶來(lái)刪除偽解，保留可行解. Benenson等[16]和Yaakov等[17]將該模型用于疾病診斷的研究.為使DNA計(jì)算機(jī)能像電子計(jì)算機(jī)一樣解決數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ)問(wèn)題，姚慶安等[18]采用該模型實(shí)現(xiàn)棧式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，完成了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和組織方式以及元素入棧、出棧等操作的生物實(shí)現(xiàn).經(jīng)驗(yàn)證，DNA計(jì)算模型求解數(shù)據(jù)的組織問(wèn)題是可行的，有助于DNA計(jì)算機(jī)走向?qū)嶋H應(yīng)用.更進(jìn)一步，陳瑞[19]結(jié)合分子信標(biāo)的光學(xué)特性，將分子信標(biāo)與發(fā)夾計(jì)算模型相結(jié)合，很好地解決了基于DNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型中計(jì)算結(jié)果不易檢測(cè)的問(wèn)題.

質(zhì)粒DNA 計(jì)算模型的基本原理是，核酸內(nèi)切酶與連接酶作用于質(zhì)粒 DNA 分子上，可以在特點(diǎn)的位點(diǎn)上分別產(chǎn)生0 和 1兩種狀態(tài)，該模型最早是由Head等[20]于2000年提出來(lái).與線性 DNA 分子比較，由于質(zhì)粒具有獨(dú)立性與穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，質(zhì)粒 DNA 能夠在限制內(nèi)切酶作用后迅速形成環(huán)狀分子而不受其他內(nèi)切酶的影響，進(jìn)而保證了該模型高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性. 在該模型的整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，質(zhì)粒分子保持雙鏈形式，這樣可以避免單鏈擴(kuò)增帶來(lái)的噪聲影響.在DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，DNA少部分被打開(kāi)并被相關(guān)蛋白質(zhì)控制，可以阻止無(wú)法預(yù)料到的計(jì)算結(jié)果的存在.周康[21]對(duì)質(zhì)粒DNA計(jì)算模型進(jìn)行了深入研究，并很好地解決了規(guī)劃論中的指派問(wèn)題、排課表問(wèn)題、圖論中的邊著色問(wèn)題，以及組合數(shù)學(xué)中的八皇后問(wèn)題.

剪接模型是指在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)使用到了內(nèi)切酶和連接酶實(shí)現(xiàn) DNA 計(jì)算，這是模擬DNA分子重組過(guò)程，是基于DNA分子剪接的計(jì)算模型.李燕[22]利用形式語(yǔ)言及自動(dòng)機(jī)理論技術(shù)，系統(tǒng)地分析了DNA剪枝機(jī)損模型的文法結(jié)構(gòu)和剪枝計(jì)算方法，并指出與粘貼模型相比， DNA剪接計(jì)算模型的計(jì)算能力有巨大的提高，該模型可以實(shí)現(xiàn)所有圖靈機(jī)可計(jì)算的函數(shù).在剪枝模型的應(yīng)用方面，Head 等[20]利用 DNA 分子的環(huán)狀結(jié)構(gòu)上的基因位進(jìn)行計(jì)算，最早提出了剪接模型理論；而周康[21]基于質(zhì)粒 DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)展了剪接模型，建立了批處理質(zhì)粒 DNA 計(jì)算模型，能夠解決較大規(guī)模的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題.Benenson 等[16]給出的可編程的有窮自動(dòng)機(jī)及自律式分子計(jì)算機(jī)模型[23-24]，均是基于剪接操作的.更進(jìn)一步，Zhou等[25]利用該模型對(duì)圖像進(jìn)行加密，推動(dòng)了剪接模型的進(jìn)一步發(fā)展.

自組裝技術(shù)是分子、納米材料等小分子依靠分子間非共價(jià)鍵的相互作用，自發(fā)組成復(fù)雜的較大的有序結(jié)構(gòu)的過(guò)程.自組裝現(xiàn)象在大自然中普遍存在，大自然可以按照自組裝的方式，形成各種有序結(jié)構(gòu).例如，原子的自組裝形成了分子，而分子的自組裝又形成了復(fù)合物.DNA自組裝模型的基本過(guò)程是，DNA分子自組裝成為簡(jiǎn)單的瓦片結(jié)構(gòu)，接著再進(jìn)行二級(jí)結(jié)構(gòu)的拼接，最終實(shí)現(xiàn) DNA 計(jì)算.該模型最先由Winfree等[26]首先提出，Rothemund[27]對(duì)該模型進(jìn)一步完善，最終獲得平面的自組裝結(jié)構(gòu).隨著自組裝技術(shù)的成熟，各種各樣復(fù)雜的自組裝結(jié)構(gòu)被建立起來(lái)，極大的豐富了人們對(duì)DNA分子的認(rèn)知，為DNA計(jì)算提供了扎實(shí)的基礎(chǔ)[28-30].DNA自組裝是DNA分子的生物合成過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，DNA分子由簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)到擁有極為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這個(gè)計(jì)算過(guò)程是一個(gè)自下而上、不斷選擇與剔除的過(guò)程，綜合了DNA計(jì)算、Tiling理論和DNA納米技術(shù)等[31-32].DNA自組裝模型計(jì)算過(guò)程，首先需要設(shè)計(jì)不同的計(jì)算tile；其次，利用算法將這些tile放置在種子框架；最后，計(jì)算tile就可以包括平面、立體等的各種結(jié)構(gòu).這種DNA結(jié)構(gòu)是納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有高并行和自動(dòng)化的特性.正是利用了這些優(yōu)點(diǎn)，潘林強(qiáng)等[33]利用 DNA分子自組裝和形成的二級(jí)結(jié)構(gòu)的能力實(shí)現(xiàn)了接點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的求解.

1.3 DNA計(jì)算機(jī)

在DNA計(jì)算機(jī)的研究方面， 2001 年 Benenson 研究小組取得了突破性進(jìn)展，研制出了分子生物的可編程自治計(jì)算機(jī)器[16].以限制性核酸酶和連接酶為硬件，該可編程自治計(jì)算機(jī)器將 DNA 雙螺旋編碼的轉(zhuǎn)換規(guī)則作為軟件，將計(jì)算轉(zhuǎn)換編碼的DNA鏈與輸入的 DNA 鏈結(jié)合起來(lái).該自治編程計(jì)算機(jī)器被認(rèn)為是一種可編程的、可自治解決組合優(yōu)化問(wèn)題的有限自動(dòng)機(jī).2002 年， Braich等[10]解決了當(dāng)時(shí)規(guī)模最大的NP-完全問(wèn)題，他們利用粘貼 DNA 計(jì)算模型成功求解了具有 20 個(gè)變量的可滿足性問(wèn)題.同年， Sakakibara 等[34]研制出了由分子計(jì)算組件和檢測(cè)部件構(gòu)成的DNA計(jì)算機(jī)，并將其用于基因表達(dá)分析.分子計(jì)算組件主要作用是通過(guò)生化反應(yīng)篩選出正確結(jié)果，而檢測(cè)部件則是對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行分析與凝練.

上述的DNA計(jì)算機(jī)，都是在圖靈機(jī)模型的架構(gòu)下形成的.然而，圖靈機(jī)模型無(wú)法很好地解決非確定性多項(xiàng)式(NP)難題.之前一直認(rèn)為非確定性圖靈機(jī)(UTM，即在P時(shí)間內(nèi)解決NP完全問(wèn)題)，在物理上是不可能構(gòu)建的.而Currin等[35]利用DNA設(shè)計(jì)了非確定UTM的計(jì)算方法.該設(shè)計(jì)利用DNA復(fù)制的能力在P時(shí)間內(nèi)執(zhí)行指數(shù)數(shù)量的計(jì)算路徑.每個(gè)重寫(xiě)步驟體現(xiàn)在使用聚合酶鏈反應(yīng)和定點(diǎn)誘變的新組合實(shí)施的DNA編輯中.盡管該設(shè)計(jì)存在諸如限制糾錯(cuò)等局限性，然而，它開(kāi)辟了設(shè)計(jì)基于NUTM的計(jì)算機(jī)的前景，這些計(jì)算機(jī)能夠在重要的實(shí)際問(wèn)題上超越所有標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī).

針對(duì)電子計(jì)算機(jī)遇到的工藝制造技術(shù)的局限，以及圖靈機(jī)模型導(dǎo)致的不能處理較大規(guī)模的NP-完全問(wèn)題，Xu[36]首先提出了一種新的計(jì)算模型——探針機(jī).與順序的線性處理每對(duì)線性相鄰數(shù)據(jù)的圖靈機(jī)計(jì)算模型不同，探針機(jī)計(jì)算模型是完全并行計(jì)算模型，其可以同時(shí)并行處理多對(duì)數(shù)據(jù).該探針機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)為由數(shù)據(jù)庫(kù)、探針庫(kù)、數(shù)據(jù)控制庫(kù)、探針控制器、探頭操作、計(jì)算平臺(tái)、探測(cè)器、真值溶液存儲(chǔ)和殘留物收集器等組成的九元組.在深入分析圖靈機(jī)和探針機(jī)模型計(jì)算機(jī)制的基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步證明圖靈機(jī)是探針機(jī)的一個(gè)特例.隨后，許進(jìn)等[37]發(fā)明了一種基于DNA計(jì)算的探針機(jī)實(shí)現(xiàn)方法與裝置，通過(guò)利用DNA計(jì)算的DNA折紙結(jié)構(gòu)和DNA單鏈，以實(shí)現(xiàn)提出的探針機(jī)模型設(shè)置構(gòu)想，提高了計(jì)算機(jī)的計(jì)算效率.基于DNA計(jì)算的探針機(jī)實(shí)現(xiàn)方法主要包括五個(gè)步驟：①在分析待求解數(shù)學(xué)問(wèn)題預(yù)設(shè)條件的基礎(chǔ)上，對(duì)DNA折紙結(jié)構(gòu)和DNA單鏈分別進(jìn)行DNA序列的編碼；②在DNA折紙的編碼基礎(chǔ)上，構(gòu)建用于計(jì)算的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)；③在DNA單鏈編碼的基礎(chǔ)上，構(gòu)建探針庫(kù)；④將數(shù)據(jù)庫(kù)中代表計(jì)算數(shù)據(jù)的DNA折紙結(jié)構(gòu)和探針庫(kù)中代表探針的DNA單鏈，在計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行混合反應(yīng)，得到包括了計(jì)算結(jié)果的反應(yīng)產(chǎn)物；⑤再進(jìn)一步通過(guò)檢測(cè)器檢測(cè)計(jì)算平臺(tái)上混合反應(yīng)的結(jié)果，得到真正的計(jì)算結(jié)果.

目前，DNA計(jì)算機(jī)的研制主要受限于包括統(tǒng)一計(jì)算模型、解的檢測(cè)控制、數(shù)據(jù)傳輸軟件編程等三個(gè)方面：①?zèng)]有處理問(wèn)題的統(tǒng)一模型.目前所建立的DNA計(jì)算模型主要是針對(duì)特定的NP-完全問(wèn)題，而為這個(gè)具體問(wèn)題設(shè)計(jì)的計(jì)算模型并不能用于其他問(wèn)題求解；②DNA計(jì)算中偽解的控制和真解的檢測(cè).由于生化雜交等生物操作的不可控性以及DNA鏈的容錯(cuò)性、DNA鏈容易斷裂等物理問(wèn)題，DNA計(jì)算中會(huì)產(chǎn)生大量偽解；更進(jìn)一步，從大量偽解中精確、快速的檢測(cè)出真解，也是DNA計(jì)算面臨的一個(gè)難題；③數(shù)據(jù)傳輸、更新和軟件編程等的先天不足.與電子計(jì)算機(jī)相比，DNA計(jì)算存在著一些諸如編程困難等問(wèn)題.為了解決這些問(wèn)題，同時(shí)又利用DNA計(jì)算模型的優(yōu)勢(shì)，李艷梅[38]提出了新的基于FPGA的仿生生物并行計(jì)算模型，稱(chēng)之為DNA電子計(jì)算模型(DNA electronic Computing model， DEM).該模型是將DNA計(jì)算中的經(jīng)典粘貼模型的并行原理，在硅硬件上實(shí)現(xiàn)；采用FPGA可編程邏輯陣列實(shí)現(xiàn)了基于分子計(jì)算的廣義圖靈機(jī)模型(Generalized Turing Machine，GTM).

1.4 DNA計(jì)算的應(yīng)用研究

DNA計(jì)算的應(yīng)用研究主要集中在旅行商問(wèn)題、背包問(wèn)題等0-1規(guī)劃問(wèn)題，以及生物傳感器、生物檢測(cè)器等生物邏輯門(mén)，等等，具體見(jiàn)表1.

表1 DNA計(jì)算的應(yīng)用研究

整數(shù)規(guī)劃與組合優(yōu)化,都是在有限選擇方案中,尋找能夠滿足特定標(biāo)準(zhǔn)的最佳方案.而旅行商問(wèn)題、背包問(wèn)題等均屬于NP-完全問(wèn)題，都可以用0-1 變量來(lái)定量化地描述為有與無(wú)、取與棄、開(kāi)與關(guān)等的離散變量間的邏輯關(guān)系、順序關(guān)系以及互斥的約束條件.由于DNA計(jì)算具有超高存儲(chǔ)密度和巨大并行性的優(yōu)勢(shì)，已被成功地用于此類(lèi)問(wèn)題的求解.例如，Yin等[39]提出了求解一般0-1整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題的DNA計(jì)算模型；隨后，又采用DNA計(jì)算解決了指派問(wèn)題的推廣等特殊的0-1規(guī)劃問(wèn)題[40].Kang等[41]提出了用DNA計(jì)算處理系數(shù)為負(fù)數(shù)的0-1整數(shù)規(guī)化模型，進(jìn)一步擴(kuò)展了DNA計(jì)算在0-1整數(shù)規(guī)劃的應(yīng)用.李艷梅[38]將圖論的最大團(tuán)問(wèn)題、彈藥配送路徑優(yōu)化問(wèn)題等抽象為0-1整數(shù)規(guī)劃模型，并利用DNA計(jì)算較好地解決了該問(wèn)題.

隨著生物技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用需求的增長(zhǎng)，DNA計(jì)算的應(yīng)用研究方面，不再僅僅局限于研究 DNA 算法以解決組合優(yōu)化等運(yùn)算問(wèn)題，也向邏輯門(mén)設(shè)計(jì)等方向發(fā)展[42].對(duì)于生物上簡(jiǎn)單抑或復(fù)雜的檢測(cè)分析診斷實(shí)際上就是邏輯判斷,因而，可以采用生物邏輯門(mén)或邏輯電路用于生物檢測(cè).并進(jìn)一步，生物邏輯門(mén)可用來(lái)檢測(cè)離子或者樣品的濃度[43-46].

Lin等[47]及葉德楷等[48]在基于核酸適配體的電化學(xué)生物傳感器以及基于 DNA傳感模式的 DNA 邏輯門(mén)系統(tǒng)方面進(jìn)行深入研究，研制出了高靈敏度、高特異性的 DNA 生物傳感器.這種生物傳感器，通過(guò)在界面上形成以熵驅(qū)動(dòng)主導(dǎo)的均勻自組裝層,增加探針?lè)肿娱g的有效距離,并通過(guò)精確調(diào)控界面上DNA納米結(jié)構(gòu)的尺寸,顯著提高界面DNA雜交效率與速率.在DNA四面體上修飾不同的生物識(shí)別分子(DNA、抗體、核酸適配體等),構(gòu)建通用檢測(cè)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)核酸、蛋白、小分子及細(xì)胞的高靈敏檢測(cè),并且在復(fù)雜樣本中同樣保持了優(yōu)異的檢測(cè)性能.該方法有望發(fā)展活體生物傳感的新探針.

另外，Georg研究組[49]設(shè)計(jì)了一種新方法，可保證設(shè)計(jì)的邏輯門(mén)能夠級(jí)聯(lián)放大形成多層邏輯回路,為設(shè)計(jì)更復(fù)雜的 DNA 計(jì)算機(jī)打下基礎(chǔ).在該方法中，每個(gè)邏輯門(mén)包含一個(gè)或多個(gè)邏輯門(mén)單鏈 DNA 和一個(gè)輸出信號(hào) DNA， 輸出鏈可以成為下游邏輯門(mén)的輸入信號(hào), 以便把相鄰的邏輯單元連接起來(lái).基于級(jí)聯(lián)放大的 DNA 鏈置換反應(yīng), Lulu等[50]在試管內(nèi)利用 DNA分子構(gòu)建出目前最為復(fù)雜的人工生化電路. 此外,他們還創(chuàng)造性地利用 112 種不同的 DNA 鏈設(shè)計(jì)組成 4 個(gè)相互聯(lián)系的人工神經(jīng)元以構(gòu)造具有人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[51].

2 DNA計(jì)算存在的問(wèn)題

盡管 DNA 計(jì)算已經(jīng)在 DNA 計(jì)算模型、 DNA 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、實(shí)際問(wèn)題應(yīng)用研究等方面取得長(zhǎng)足的進(jìn)展，但是總體而言， DNA 計(jì)算的研究還處于初始階段，還面臨著大量的理論挑戰(zhàn)和實(shí)際問(wèn)題(表2). 現(xiàn)有的模型中采用的生物操作大多具有不完整性， 計(jì)算過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生偽解， 誤差累積會(huì)嚴(yán)重影響 DNA 計(jì)算結(jié)果.

表2 DNA計(jì)算存在的問(wèn)題

DNA 計(jì)算仍然存在一些不足之處[24-25]： ①規(guī)模性問(wèn)題，算法中所需要的核苷酸分子數(shù)呈指數(shù)倍增加， DNA 鏈會(huì)隨著 DNA 計(jì)算問(wèn)題規(guī)模的増大而増長(zhǎng)，從而増加大規(guī)模問(wèn)題DNA 鏈過(guò)長(zhǎng)容易斷裂等問(wèn)題，限制了 DNA 計(jì)算規(guī)模；②普遍性問(wèn)題， 大多數(shù) DNA計(jì)算模型只能針對(duì)某一類(lèi)特定的問(wèn)題不具備普遍性，從而使 DNA計(jì)算模型得不到很好的推廣； ③精確性問(wèn)題， DNA 實(shí)驗(yàn)操作對(duì)無(wú)關(guān)因素的控制不佳， DNA 生化反應(yīng)容易出錯(cuò)，酶的效率發(fā)揮不夠，都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度， 已有學(xué)者通過(guò)對(duì)生物操作的選用、對(duì)生物操作條件更為精確的控制，降低生化實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的誤差，建立重復(fù)性好、可靠度高的實(shí)驗(yàn)體系等[52-55]，然而，這些操作較為復(fù)雜，還并沒(méi)有達(dá)到 DNA 計(jì)算實(shí)用性的要求； ④解的檢測(cè)問(wèn)題，這是 DNA 計(jì)算研究中的重要問(wèn)題，是研制 DNA 計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵、 最困難問(wèn)題之一，盡管通過(guò)電泳技術(shù)、PCR 擴(kuò)增等技術(shù)能夠?qū)⑺璧慕鈾z測(cè)出來(lái)，然而這些方法都依賴于基因工程檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展， 這嚴(yán)重阻礙了 DNA 計(jì)算機(jī)的發(fā)展. 面對(duì)這些問(wèn)題與挑戰(zhàn)， 相信 DNA 分子理論及實(shí)驗(yàn)方法、 分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展， 必然能夠?yàn)?DNA 計(jì)算研究提供新理論、新方法. 例如， 當(dāng)前新的 CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)憑借其所具有的易用性、 精確性、 高效性、特異性、多功能性等巨大優(yōu)勢(shì)[56]， 必然能夠解決上述 DNA 計(jì)算問(wèn)題，尤其是對(duì) DNA 計(jì)算過(guò)程中噪聲的控制問(wèn)題[35].

3 DNA計(jì)算未來(lái)的研究方向

盡管DNA計(jì)算已經(jīng)在計(jì)算模型研究、生物計(jì)算機(jī)研制、DNA計(jì)算應(yīng)用研究等方面取得了豐厚的成果，但是，DNA計(jì)算還處于探索的過(guò)程中，其中還存在很多實(shí)際問(wèn)題和理論問(wèn)題，需要進(jìn)一步進(jìn)行更為深入的研究.相信隨著生物技術(shù)、納米技術(shù)等不斷的發(fā)展進(jìn)步，不僅能夠解決現(xiàn)有的問(wèn)題，同時(shí)，DNA計(jì)算也會(huì)得到長(zhǎng)足的發(fā)展.圍繞著DNA計(jì)算存在的問(wèn)題，未來(lái)需要在面向DNA計(jì)算的DNA編碼設(shè)計(jì)、DNA計(jì)算的噪聲控制、基于DNA計(jì)算的邏輯門(mén)、基于三維自組裝的DNA計(jì)算等方面展開(kāi)深入的研究，進(jìn)一步促進(jìn)DNA計(jì)算技術(shù)的發(fā)展.

3.1 DNA計(jì)算模型中的編碼設(shè)計(jì)研究

DNA計(jì)算是通過(guò)DNA分子對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題進(jìn)行編碼,然后通過(guò)分子生物實(shí)驗(yàn)形成代表問(wèn)題解的DNA分子,并通過(guò)檢測(cè)方法提取出代表問(wèn)題解的DNA分子.高質(zhì)量的DNA編碼能夠盡可能避免或減少計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤,同時(shí)還能夠保證在檢測(cè)階段更為便捷的提取出代表問(wèn)題解的DNA分子.編碼是DNA計(jì)算的第一步，也是最重要的一步.實(shí)踐證明，通過(guò)有效的編碼設(shè)計(jì)能夠提高DNA計(jì)算過(guò)程中的可靠性，直接影響反應(yīng)過(guò)程的速度和效率.已有DNA編碼的理論和應(yīng)用研究，均是防止或降低計(jì)算過(guò)程的錯(cuò)誤而展開(kāi)的.根據(jù)DNA計(jì)算要求，給出一個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)函數(shù)集合，將DNA編碼設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，并將該多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)為單目標(biāo)優(yōu)化模型.然后采用優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA編碼問(wèn)題的求解.然而，根據(jù)約束條件構(gòu)建通用的 DNA編碼方案是非常有難度的[57].建立一套多目標(biāo)評(píng)價(jià)體系，根據(jù)所要解決實(shí)際問(wèn)題的需求，通過(guò)賦予不同目標(biāo)函數(shù)不同的權(quán)值，來(lái)實(shí)現(xiàn)針對(duì)具體問(wèn)題的 DNA 計(jì)算編碼序列的優(yōu)化設(shè)計(jì)與選擇，可能是一個(gè)可行的解決方法.還需要進(jìn)一步繼續(xù)研究DNA生化反應(yīng)本質(zhì)，加深對(duì)DNA 計(jì)算的理解，增加對(duì)編碼問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，建立合理可靠的編碼模型.

3.2 基于基因編輯技術(shù)的DNA計(jì)算噪聲控制研究

自從Martin等[58]第一次使用 CRISPR/Cas9 切割任意序列以來(lái)，在不到兩年的時(shí)間里, CRISPR/Cas9 由于其操作簡(jiǎn)單、省時(shí)省力、高效快捷的特點(diǎn)，已經(jīng)風(fēng)靡全世界，CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)已經(jīng)成為了一個(gè)非常成熟的分子生物學(xué)技術(shù). 曼徹斯特大學(xué)的Currin等[35]在利用 DNA 計(jì)算實(shí)現(xiàn)非確定性通用圖靈機(jī)(Non-deterministic Univeral Turing Machine， NUTM)時(shí)指出， 如同早期電子計(jì)算機(jī)所面臨嚴(yán)重噪聲問(wèn)題被最終解決一樣， DNA 計(jì)算中的噪聲問(wèn)題,可以通過(guò)錯(cuò)誤糾正碼、重復(fù)計(jì)算、動(dòng)態(tài)校對(duì)、基于 CRISPR 的基因標(biāo)記、基于 CRISPR/Cas9的核酸內(nèi)切酶的使用等方法來(lái)解決. 相信將可編程的、特異性的、簡(jiǎn)單易用的、精確高效的 CRISPR/Cas9 技術(shù)引入DNA計(jì)算過(guò)程中，能夠有效地減少DNA計(jì)算中核酸內(nèi)切酶種類(lèi)， 提高核酸內(nèi)切酶效率，排除DNA計(jì)算過(guò)程中的偽解， 方便快捷地檢測(cè)DNA計(jì)算結(jié)果， 能夠極大地促進(jìn)DNA計(jì)算的進(jìn)一步發(fā)展.

3.3 基于DNA計(jì)算的邏輯門(mén)的研究

與硅計(jì)算機(jī)相比，DNA計(jì)算機(jī)在可靠性、靈活性和可操作性等方面存在一些問(wèn)題. 然而，其可以作為硅計(jì)算機(jī)的重要補(bǔ)充，利用DNA計(jì)算的方式來(lái)構(gòu)造體內(nèi)邏輯門(mén)，能夠參與代謝物分析、疾病診斷和治療等.在納米級(jí)分子邏輯計(jì)算電路中，由于每一個(gè)邏輯運(yùn)算中均存在催化環(huán)節(jié)和閾值的設(shè)定，此類(lèi)DNA邏輯電路具有快速和精確度高的優(yōu)點(diǎn)[59].DNA分子邏輯門(mén)和邏輯電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能夠應(yīng)用到靶向治療疾病中，例如Yaakov等[17]提出用 DNA 計(jì)算的方式選擇性地控制釋放基因藥物來(lái)控制致病基因的表達(dá)水平.另外，DNA計(jì)算結(jié)合納米技術(shù)等可以構(gòu)建更加復(fù)雜的邏輯運(yùn)算.因此，DNA分子計(jì)算是一項(xiàng)極具前景和潛力的技術(shù).

3.4 基于三維自組裝的DNA計(jì)算模型的研究

自組裝計(jì)算已經(jīng)是密碼學(xué)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，例如，基于粘貼模型和剪切模型的密碼破解方案方法，以及基于自組裝計(jì)算模型的公鑰密碼破解方法等.盡管這些在二維自組裝基礎(chǔ)上形成的DNA計(jì)算模型在理論和實(shí)踐上，都表現(xiàn)出了一定的計(jì)算優(yōu)勢(shì)和潛力，但是，這些二維自組裝并沒(méi)有充分發(fā)揮DNA特殊結(jié)構(gòu)的性能.隨著對(duì)自組裝現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的逐漸深入,多種三維立體結(jié)構(gòu)被構(gòu)建出來(lái).進(jìn)而，如何充分地利用DNA結(jié)構(gòu)的特性，基于三維分子自組裝設(shè)計(jì)DNA計(jì)算的模型，是未來(lái)重要的研究方向.