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有读书笔记Scaling Up Digital Circuit Computation with DNA Strand Displacement Cascades

唐唐 添加于 2011-6-6 02:00 | 1908 次阅读 | 0 个评论

  •  作 者

    Qian L, Winfree E

  •  摘 要

    To construct sophisticated biochemical circuits from scratch, one needs to understand how simple the building blocks can beand how robustly such circuits can scale up. Using a simple DNA reaction mechanism based on a reversible strand displacementprocess, we experimentally demonstrated several digital logic circuits, culminating in a four-bit square-root circuit thatcomprises 130 DNA strands. These multilayer circuits include thresholding and catalysis within every logical operation toperform digital signal restoration, which enables fast and reliable function in large circuits with roughly constant switchingtime and linear signal propagation delays. The design naturally incorporates other crucial elements for large-scale circuitry,such as general debugging tools, parallel circuit preparation, and an abstraction hierarchy supported by an automated circuitcompiler.

  •  详细资料

    • 文献种类: Journal Article
    • 期刊名称: Science
    • 期刊缩写: Science
    • 期卷页: 2011年  第332卷 第6034期 1196-1201页
    • ISBN: 0036-8075

  • 学科领域 信息系统 » 计算机科学

  •  所属群组

    信息科学综合  

  • 相关链接 DOI URL 

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    科学家构造迄今最复杂生化电路
    据美国物理学家组织网6月3日（北京时间）报道，美国科学家使用DNA分子，在一个试管中 构造出了迄今最复杂的生化电路。科学家表示，这些电路可用来探测生物系统内部信息处理的基本原理，也可用来设计具有决策能力的生物化学路径等。相关研究发 表在6月3日出版的《科学》杂志上。
     
    逻辑门是使计算机在正确的时间做出正确行动的数字逻辑电路的基本组成元件。传统计算机中的 逻辑门由电子晶体管制成，导线将它们连在一起形成电路。而加州理工学院生物工程系博士后钱璐璐和同事埃瑞克·温弗利教授制造的生化电路，其逻辑门则由装满 盐水的试管内的DNA分子组成。与电子电路中以电子流入和流出晶体管作为信号不同，用DNA制成的逻辑门将接收和发出分子作为信号，这些分子信号从一个特 定的逻辑门漫游到另一个，好似有无形的导线将其连在一起组成电路。
     
    钱璐璐解释道，此前实验室制造的生化电路都有局限性，当电路增大时，其工作的稳定性和可预 测性会随之下降。因为不同的电路需要不同的分子结构来实现其功能，因此，电路越大，结构越复杂，调试难度也随之增加。而新方法制造出的分子元件结构简单且 标准化、运作稳定也容易进行规模化的制造，可以制造出更大更复杂且运行稳定的电路。
     
    钱璐璐和温弗利用新方法制造出了几个电路，其中最大的一个包含有74个不同的DNA分子， 可以计算不超过15的整数的平方根。科学家们通过监测输出分子的浓度获取答案，整个计算过程耗时10小时，因此，它无法很快取代笔记本电脑。但这种电路的 主要目标不是取代计算机，而是让科学家更好地对生化过程进行逻辑控制。钱璐璐说：“我们想要制造出更加尖端的生化电路来完成更加复杂的任务，让分子设备根 据具体环境做出行动。”
     
    钱璐璐表示，他们的电路有几个新特性。首先，所有逻辑门的结构都一样，区别只在于DNA序 列不同。因此，同一类元件可以连在一起，制造出任何电路。更重要的是，科学家们不需要了解电路背后的分子机制就可以制造出电路。另外，通过调整某些DNA 分子的浓度，科学家们可改变逻辑门的功能。而且，这些组成元件可以即插即用，因此很容易重新组装成不同的电路。
     
    新研究让科学家在设计应用于生物、化学工程的化学反应方面拥有了前所未有的掌控力。未来，人工合成的生化电路可探测血液样本中各分子的浓度，并将信息整合后进行病理学诊断。（来源：科技日报 刘霞）
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