关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
这不是你常见的电子硅基机器，但科学家们用一小段环状DNA制造了一台计算机，然后将其插入活细菌细胞中，并释放这种微生物来解决一个数学排序问题。
“计算机是任何可以读取一些输入并给出一些可读输出的系统，”北卡罗来纳州戴维森学院的生物学家、一篇发表在《生物工程杂志》上的新研究的合著者卡梅拉·海恩斯说。海恩斯和她的团队着眼于利用DNA重组的力量来解决所谓的“烧焦的煎饼问题”：一个关于如何堆叠不同大小的单面烧焦、另一面完美烹饪的薄煎饼的难题，使用最少的翻转次数将它们排列好，使最大的在底部，并且所有金黄色的一面都朝上。
“这项工作是我遇到的第一个利用活细胞来解决特定计算机科学问题的工作，”魏茨曼科学研究所计算机科学家埃胡德·夏皮罗实验室的研究生汤姆·冉说。
通过展示DNA作为计算机能够解决烧焦的煎饼问题，海恩斯和她的团队证明，如果他们的系统可以扩大规模，它就可以快速给出复杂问题的答案，例如芝加哥和新加坡之间最有效的航线，或者在美国各地路由电话呼叫的最佳方式——联邦快递和美国电话电报公司等公司多年来一直努力解决的难题——所需时间仅为传统计算机所需时间的一小部分。研究人员设想将DNA计算机用于其他几种应用，例如检测活体系统中的变化的方法——例如体内癌症或湖泊中污染物的扩散。
“DNA计算机可能能够完成电子计算机无法完成的事情，”南加州大学的分子科学家伦·阿德尔曼说。“例如，很难想象将电子硅基计算机放入细菌细胞中。”
来自戴维森学院和密苏里西部州立大学圣约瑟夫分校的一个研究小组将一个独立的环状DNA片段（称为质粒）插入到一种良性的单细胞肠道细菌大肠杆菌菌株中，其中一些菌株可能引起食物中毒。该团队使用两个DNA片段——一个大的和一个小的，模拟了一个简单的两煎饼翻转问题，这两个片段以随机顺序和方向插入细胞中。科学家们还添加了一种来自沙门氏菌的酶，该酶能够翻转遗传片段。
这些片段将需要在给定的时间内进行一定次数的翻转，才能将它们置于正确的配置中。达到正确的方向对每个细菌都有奖励：对四环素抗生素的免疫力。在一段设定的时间后，这些小计算机暴露于抗生素中——只有那些具有正确片段方向的计算机才能存活下来。由此，研究人员可以判断哪些细胞正确地解决了翻转问题，因为那些没有解决的细胞死亡了。
细胞中DNA计算机的前景在于并行处理的机会：由于细胞是活的并且会复制，将质粒片段和沙门氏菌酶复制到新细胞中，因此处理问题的单个处理器数量不断增加，可能使它们比电子硅基计算机更快地达到解决方案，海恩斯解释说。
虽然研究中使用的烧焦的煎饼问题的两煎饼版本相对简单，但研究人员指出，对于一叠六个煎饼，可能的堆叠数量为 46,080，对于 12 个煎饼，则接近 2 万亿。“如果你有 11 或 12 个煎饼，”海恩斯说，“那么传统计算机将需要大约几个月的时间来解决这个问题。”