也许化学计算中最巧妙和神秘的行为是当一个细胞使用它的脱氧核糖核酸来分裂、繁殖和特化以产生一个完全发育的有机体。在本周《自然》杂志发表的研究报告中，计算机科学家通过构建第一台大规模可编程DNA计算机，迈出了利用化学计算潜力的一小步，但也是重要的一步。
该系统使用一组用脱氧核糖核酸编写的指令来执行各种6位程序。研究人员使用它来执行21个测试程序，尽管该系统有更多的功能。以前的DNA计算机方案基本都是定制系统，只能解决其设计的单一问题。
新系统仅由脱氧核糖核酸和盐水组成，本身不太可能找到技术应用。但这是朝着开发自组装可编程物质迈出的一步，化学软件可以自动指导构建具有复杂可编程纳米特征的材料。它的创造者“试图理解如何在化学中嵌入计算行为来控制化学的作用，”负责这项主要在加州理工学院进行的研究的计算机科学和生物工程教授埃里克温弗里解释说。
DNA形成由两条长链组成的阶梯结构。每条链是由四种化学物质组成的序列。计算机依赖于这样一个事实，即单链脱氧核糖核酸将试图用一系列与其互补的化学物质与其他链配对。加州理工学院的团队设计了他们的DNA序列，就像一个2输入/2输出的布尔逻辑门。这些门的五个连接形成一个层，所需的计算通过六个输入和六个输出来执行。但是，单个图层无法完成计算。相反，一系列具有相同功能的层，其中一个的输出连接到另一个的输入，迭代执行计算，直到它收敛到答案。换句话说，算法是逐层连接的，
Winfree和他的团队抽象地将这些电路想象成侧面带有固定装置的方形瓷砖，这只能让它们通过互补的固定装置连接到瓷砖上，就像瓷砖是拼图游戏一样。计算机的完整指令包含355种不同类型的图块。实际上，每个瓦片由四个单链脱氧核糖核酸组成，而不是一个脱氧核糖核酸，这增加了足够的冗余来克服许多错误。
为了让计算有条不紊地工作——计算的晶体基本在生长——研究人员需要一些可以作为DNA组装起点和结构的东西。“我们希望DNA可以粘在一起流通，而不是随机解决问题，”达米恩伍兹说，他曾经在DNA计算机上工作，目前在爱尔兰的菜单大学工作。
大卫多蒂解释说，答案是更多的脱氧核糖核酸，他也在加州大学戴维斯分校工作。这种脱氧核糖核酸使用一种叫做脱氧核糖核酸折纸的材料技术，这种技术被设计成150纳米长、20纳米宽的纳米管。纳米管的成分就像一种种子，可以通过计算晶体来组装，就像冰糖在糖衣细绳的末端结晶一样。
在这台6位脱氧核糖核酸计算机上运行程序是从一个定制的编译器开始的。“许多想法和科学进入了编译器，”伍兹说。它允许研究人员编写他们想要的任何软件算法，并通过各种抽象层次进行转换：逻辑到切片，切片到纠错子切片，子切片到DNA序列，等等。最后，它基本上产生了添加DNA序列的公式，什么时候添加，在什么温度下添加。DNA折纸纳米管生长需要一到两个小时，而计算完成则需要一天左右。(Winfree指出，速度从来都不是关键。)
折纸结构是解读答案的关键。它的脱氧核糖核酸序列被设计成使得蛋白质标签将被附着在计算中位等于1的任何地方。纳米管也被拉开形成一个矩形，以便于检查。在原子力显微镜下，您可以读取计算的进度，以蛋白质标记代表最终结果。
对于Winfree来说，这个成绩是他整个职业生涯的一大步。“对我来说，这是一个漫长的过程，”他说。大约25年前，当他对数学平铺理论和理论计算机科学之间的奇怪联系感兴趣时，他的兴趣引起了研究生的兴趣，他想知道它是否扩展到描述晶体生长的模型。“如果伪晶体是在生长的时候计算出来的，这让我很好奇。”现在我们知道他们可以。