互动科普

 对于生命过程，DNA起着不可替代的作用，但在一个现代化学家眼里，DNA的结构其实很简单：不过是有着统一的双螺旋结构，却无法单独发挥功能的大分子而已。然而，这些“不起眼”的大分子，已成为一个颇具前景，且交叉了化学、酶学、纳米学和计算机科学的前沿研究领域的基础——这可能会让很多化学家感到吃惊。

利用这一新领域的研究技术，我们可以构建能在水溶液中执行运算任务的分子逻辑门——实际上，我们的终极目标是开发一种能在生物体内工作的纳米机器，以监测体内环境，并根据监测到的情况作出判断，采取相应措施，比如释放药物或杀死特定细胞。

我们曾构建过一些DNA自动机，它们能轻松下完三子棋（tic-tac-toe），这在一定程度上展示了DNA逻辑门的运算能力。在游戏中，人类玩家可以通过添加含有DNA的溶液，来显示移动步骤，而DNA计算机决定移动步骤时，则会点亮某一方格。一旦人类玩家犯错，就会被DNA计算机打败。尽管玩游戏只是一个简单任务，离最终目标相去甚远，但通过这项研究，我们认识到，完全可以把DNA分子模块融入即插即用的部件，用于执行更加复杂的任务。正如现代计算机中的硅基逻辑门，把它们连接起来就是一个复杂的逻辑电路，几乎可以为我们完成任何任务。

溶液中的医生

1997年底，我们（斯特凡诺维奇和斯托扬诺维奇）决定合作，将化学和计算机技术结合起来，共同完成一个项目。从小学起，我们俩就是很要好的朋友。一次吃饭时，我们趁着酒兴探讨了一些话题，其中就包括生物信息学和利用DNA分子实现计算的各种方法。最后，我们决定开发一种新技术，让分子自己进行计算并作出判断。

我们打算利用一种电子技术，创建一组分子模块（即基元，primitive），用以执行基本的运算任务。在电子工程中，计算基元叫做逻辑门，它们有一系列很直观的名称：“与门”、“或门”、“非门”等。逻辑门会接收代表二进制代码（0和1）的信号，通过逻辑运算产生输出信号。举个例子，只有接收到两个都代表1的信号时，与门才输出“1”。在现代计算机中，数以亿计的逻辑门连接成了非常复杂的电路，这就像我们用几种简单积木就可以拼装出精致结构。同样，我们希望DNA分子模块可以通过简单的溶液混合，形成日益复杂的计算元件。

不过，我们并不打算与以硅为基础的电子计算机进行竞争。由于斯托扬诺维奇刚刚与一家制药公司合作完成了一项小规模科研任务，我们决定从医学的角度来研究DNA计算机：开发一种智能医疗系统，把它注射到人体后，可以自动检测并分析病人身体状况，并采取相应治疗措施。比如，我们可以为糖尿病人注射一种智能系统，监测血糖浓度的高低，并在适当的时候释放胰岛素。要实现这一目标，我们开发的分子机器就不能引起免疫排斥反应。

这样的分子模块还得具有多种功能。白血病患者体内的白细胞会因不同谱系、不同发育阶段，而在表面呈现不同的标志物。但目前以抗体为基础的治疗手段，会不加选择地清除大量白细胞（包括健康白细胞），因为很多抗体只能识别白细胞表面的一种标记物。一旦过多健康细胞受损，人体免疫系统的功能就会受到影响，导致许多并发症甚至死亡。与抗体不同的是，智能化分子模块可以协调工作，检测并分析白细胞表面的多种标志物—— “标记物A存在，标记物B和C中的一个可能存在，但标记物D不存在”，从而挑选出生长失控的病变细胞，并消灭它们。

分子模块也可用于DNA分析，比如寻找可能的基因突变，或识别种类繁多的微生物病原体。我们开发的“三子棋自动机”最多可含有100多种短小DNA序列（寡聚核苷酸），可以分析40亿种可能的DNA序列组合，并将这些序列划分数千种模式。每种模式都可以代表一种疾病状态、病原体或基因型。

DNA逻辑门

早在20世纪90年代初，科学家就利用合成分子开发出了分子逻辑门。1993年，英国贝尔法斯特女皇大学的A·普拉桑纳·德席尔瓦（A. Prasanna de Silva）和同事利用小型有机分子，开发出一种“与门”。只有当溶液中的氢离子和钠离子都与有机分子结合时，它们才会发出荧光。1997年，现任职于美国西北大学的J·弗雷泽·斯托达特（J. Fraser Stoddart）与合作者制造出“异或门”，只要两种输入信号任一种存在（而不是都存在，这里说的两种信号是氢离子和胺），分子模块就会发光。然而，这些逻辑门都不能直接用于生物体，因为它们必须在强酸环境才能发挥功能，而在这种环境下，人体细胞根本无法存活。

20世纪90年代中期，其他科学家发现了DNA这块“宝藏”：它可以利用4种碱基[简写为A、T、C和G，它们能相互配对(A与T，C与G，也叫互补)，连接成双螺旋结构]，通过不同的排列组合，储存大量遗传信息。不过，DNA存储遗传信息的方式，与我们设想的体系有很大差别。我们理想中的、悬浮在溶液中的分子逻辑门，能以类似于硅基逻辑门的工作原理处理输入和输出信号。但不管怎样，DNA具有良好的生物相容性，它的一些优点让我们有机会发明DNA逻辑门。

1995年，美国斯克里普斯研究所的杰拉尔德·F·乔伊斯（Gerald. F. Joyce）发明一种方法，可以利用单链DNA制造一种酶——脱氧核酶（deoxyribozyme），能将其他单链DNA剪切成两段。脱氧核酶有两个短臂，只能与具有正确互补碱基序列的单链DNA结合，因此这类核酶对目标DNA具有特异性识别能力（详情参看第66页插图）。

将特殊的染料分子连接在目标DNA的两端，研究人员可以监测核酶剪切目标DNA的全过程。实际上，连接在目标DNA两端的染料分子并不相同，其中一端的分子是一个“猝灭基团”（能抑制荧光基团发光），另一端才是能发出荧光的标记分子。当DNA链完整时，由于“猝灭基团”和标记分子距离较近，它可以抑制标记分子发出荧光。但当DNA被剪切成两段后，猝灭基团与标记分子的距离变远，标记分子就将不再受到抑制而发出荧光。随着催化过程的进行，脱氧核酶会切断越来越多的目标DNA，DNA溶液的荧光强度也就越来越强。

我们的初步计划提出不久，科学界就出现了一个重要进展。美国耶鲁大学的罗纳尔德·R·布雷克（Ronald R. Breaker）发明了一种方法：将脱氧核酶与一些分子基团结合起来，把这些分子基团当作识别模块。适当的分子结合到识别模块上时，就会抑制或激活脱氧核酶的活性。布雷克把两个识别模块结合到一个脱氧核酶上，就构成一个能接收两种分子输入信号的“与门”。更令人感兴趣的是，布雷克的研究小组发现，大自然早就存在这样的双模块结构了——细菌利用RNA分子，构建了一种基因开关，用于控制基因活性，进而调控相关蛋白的合成量。

布雷克的研究使我们认识到，如果在脱氧核酶上添加两个分子模块，用于识别具有特定序列的DNA链，也许可以构建一种逻辑门。待识别的DNA链可看作是输入信号（DNA链存在时，代表输入信号“1”；不存在时输入信号为“0”）；脱氧核酶剪切DNA链时，则表示输出信号“1”。由于DNA既可充当输入信号，也可代表输出信号，从理论上来说，我们设计的逻辑门可以相互连接，形成复杂电路。即使所有逻辑门都混合在一个试管中，脱氧核酶与分子模块也能像电路中的导线一样，精确控制逻辑信号的输入与输出（因为分子模块只能识别具有特定序列的DNA链）。

在一系列尝试失败后，我们决定利用DNA茎—环结构来构建识别模块。美国新泽西州纽瓦克公共健康研究所的桑杰·泰亚吉（Sanjay Tyagi）和弗雷德·克莱默（Fred Kramer）曾报道过一种DNA“茎—环开关”，它能在两种结构间转换。处于“关”的状态时，DNA链自我折叠形成茎—环结构——两端像拉链一样互补配对，结合在一起形成一段“茎”，中间一段由于无法配对，就形成一个环，整体形状如同一块棒棒糖。如果代表输入信号的DNA链与茎—环结构中“环”的配对，使“环”从单链变为双链，“环”部分就没有足够的柔性形成闭合的环，茎—环结构中的“茎”将被“撬开”。

如果向脱氧核酶引入茎—环结构，我们就可以利用“环”的开闭来控制酶的活性：当脱氧核酶的一个短臂是“茎”的一部分时，茎—环结构一旦闭合，核酶就会失去活性。我们将这种结构称为传感器或者“是门”（YES gate），因为加入控制茎—环结构的输入链（“输入信号X”），将茎—环结构打开，短臂上结合目标DNA链的部位暴露出来，脱氧核酶就能恢复活性。从本质上来说，脱氧核酶产生的输出信号（剪切目标DNA链）就是“是的，输入信号X是存在的”。

如果在脱氧核酶的另一个短臂添加第二个茎—环结构（序列与第一个不同），让它能与代表“输入信号Y”的DNA链结合，我们就可以构建一个“与门”。因为只有同时输入X和Y，脱氧核酶才能剪切目标DNA（参见第67页图）。

我们设计了一种抑制性控制器——在脱氧核酶背面插入的茎—环结构。当“茎”处于闭合状态时，酶结构不会受到影响，可以产生输出信号，但当我们加入能与“环”结合的DNA链，使“茎”打开，改变脱氧核酶的结构，核酶就会失去活性。然而，失去活性的脱氧核酶不能消除已产生的输出信号（即失去活性前剪切的DNA链），因此单独使用时，这种“非门”不及电子“非门”方便。但如果结合了“与门”结构，这种“非门”单元就能派上用场——变成了“与—与—非逻辑门”（AND-AND-NOT），只有当输入信号为“X AND Y AND （NOT Z）”时，它才产生输出信号。这种模块其实就是抑制逻辑门（INHIBIT gate），是我们的三子棋自动机的重要组成部分。

三子棋自动机最重要的特性是高度模块化。我们可以用数以百计（理论上可以达到上百万种）、序列各异的DNA链作为输入信号，也可以改变代表输出信号的DNA链的序列。我们甚至可以用连接酶（ligase，能将短DNA链连接成长DNA链）替换脱氧核酶。事实上，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的安德鲁·D·埃林顿（Andrew D. Ellington）已经对以连接酶为基础的逻辑门展开了研究。

逻辑门的另一个特点是功能自动化。也就是说，我们一旦向溶液中加入输入信号（DNA链），启动计算过程，就不再需要人为干预。实质上，DNA分子“作出的决策”取决于它们接收到的输入信号。

不过，我们的DNA逻辑门和电子线路中的硅基逻辑门有几个显著差异。第一，DNA逻辑门不能重新设置——输入链一旦结合到茎—环结构上，在后续计算过程中，两者会一直结合在一起，被剪断的DNA输入链也不会重新连接。虽然在生物医学领域，逻辑门的重新设置功能不是必需的，但这一功能对于未来的分子机器人来说，却可能大有用处。目前，我们正在利用连接酶，探索重新组装DNA输出链的方法。

第二，电子逻辑门在开或关时，电压必须达到一个阈值，因此0和1可以很好地定义逻辑门的开关状态 （低于阈值，逻辑门关闭，输出信号就为0；反之，就为1），逻辑门也完全是数字化的。相对而言，DNA逻辑门的状态是随着输入链的增加而逐渐发生变化（即有活性的脱氧核酶从无到有逐渐增多），存在很强的连续性。这种连续变化的方式对于构建类似于个人电脑的分子机器来说，可能很重要，但在生物医学领域用处并不大。

对决DNA计算机

利用一种广泛使用的方法，我们构建了分子逻辑门，并用一种客观的方法测试了逻辑门的计算能力。我们的设想是，让逻辑门在一个“透明”的环境下运行，每个人都能直观地看见它是如何作出决策的。一般说来，测试一个新计算机系统的方法，是用它玩一种策略游戏，因为根据游戏规则，我们可以直接判断计算机系统是否成功完成游戏任务，而玩游戏的能力与计算能力直接相关。

我们选择了经典的儿童游戏——三子棋作为测试工具。这类游戏以九宫格为棋盘，游戏者只要率先将三颗棋子连成一条线就算获胜。三子棋是最简单的二人对弈游戏，对于对弈双方来说，游戏信息是完全透明的，双方随时都可以通过棋子布局，了解当前游戏局势。如果对弈双方都是高手，一局三子棋会以平局结束，但我们的分子逻辑门会寻找对手犯的任何一个错误。

因为游戏很简单，我们可以对所有游戏策略进行编码，转换成逻辑运算，监测对手的下棋步骤。也就是说，当你使用一种固定的游戏策略时，即使只记得对手的下棋步骤，也能准确计算出自己此前是怎么落子的，并判断当前的游戏局势以及接下来该怎样落子。我们把上述推理步骤转变成一个逻辑门网络，它将把对手的下棋步骤视作输入信号，产生的输出信号则是我们的下棋步骤。2002年，我们开始建造这样的DNA逻辑门网络——一种三子棋自动机，我们将它命名为MAYA（“是门”与“与—与—非门”的分子矩阵）。

MAYA拥有九个方格，就像一个三子棋棋盘，每个方格都盛有溶液，里面包含了我们精心设置的DNA逻辑门（见第68页图）和待剪切的目标DNA（所有方格里的目标DNA都是一样的）。不过，逻辑门的关键组件——脱氧核酶必须在镁离子存在的条件下才有活性，因此，只有向方格加入镁离子，MAYA才能启动。由于中心方格中的核酶没有茎—环结构，MAYA一启动，它就会剪切目标DNA，让DNA末端的荧光基团发出荧光——这表示MAYA选择在中心方格落子作为开局第一步。

人类玩家哈里（Harry）有8种输入链，每种对应一个方格，它们的碱基序列与相应格子内脱氧核酶上茎—环结构的序列是互补的。哈里可以通过向方格加入输入链，来显示下棋步骤：他选择在4号方格落子，便向每个方格加入4号输入链，但只有4号方格的逻辑门能接收信号，并发出荧光，显示哈里的下棋步骤。

随着游戏的进行，每个方格都含有代表哈里下棋步骤的DNA链，方格中的逻辑门会对这些输入链进行处理。每下完一步棋，某个方格中的一个逻辑门就会被当前和前一步的输入链触发，使方格发出荧光——这就代表MAYA的落子位置。

为了简化MAYA的编程过程，我们将哈里的第一步限制在1号格或4号格。因为棋盘是对称的，所以这两步棋代表了哈里针对MAYA在中心格落子的所有应对策略。如果他在其他方格落子，可以旋转棋盘，使棋子仍然落在1号格或4号格中。在这种限制下，我们为MAYA选择了19种不同的游戏策略。只有在一种下法中，哈里能与MAYA战平，在其余18种下法中，MAYA都能找出哈里的失误，将他击败。

为了计算出MAYA必备的所有逻辑门，我们考虑了19种策略中的每个步骤，以确定哪些逻辑门能作出我们期望的反应。在这一过程中，最难的地方在于，如何将策略需求与逻辑门技术匹配起来。尽管在设计逻辑门时，我们可以让一种逻辑门的输出信号，成为另一种逻辑门的输入信号，但为了避免发生意外，我们在构建MAYA时没有选择这一设计方案。在实验室中，我们花了3个多月来设计和改进MAYA，并对19种策略进行了完整测试。

第二代MAYA

因为对MAYA的功能不太满意，我们研究出了MAYA—Ⅱ。MAYA—Ⅱ使用起来更方便，可以通过两种不同的荧光颜色显示双方所有下棋步骤。自动机仍然先走第一步，在中心格落子，但哈里可以选择其余8个方格中的任意一个落子。MAYA—Ⅱ拥有的下棋策略是MAYA的4倍，其中赢72局，平4局。

我们编写了一个用于硅基计算机的程序，来计算MAYA—Ⅱ的合理配置。最终的设计要求是，MAYA—Ⅱ必须具备128种不同的逻辑门，其中96种通过红色荧光来显示自动机的下棋步骤，另外32种用绿色荧光来表示哈里的下棋步骤。 

由于MAYA—Ⅱ配置复杂，我们在构建和测试这台自动机时，遇到了较大的困难。麦克唐纳德负责这一项目，他招募了几个高中生在每周六和暑假来测试自动机。学生们反复测试所有自动机的76种下法，并针对出现的问题进行改进（此后还要对MAYA—Ⅱ进行测试）。

研究中，我们最担心的是，有些DNA链与脱氧核酶的结合会发生混乱（即结合到意料之外的地方），而我们的计算机建模工具还无法完全预测这些意外情况。另外，如果脱氧核酶在剪切目标DNA链时速率不均一，也会影响自动机的运行。为了调整差异，我们和学生不得不调整逻辑门的浓度和结构。奋战了三个夏天和无数个周六之后，通过改变某些输入链，微调逻辑门的序列和浓度，我们建立了一个系统，它可以准确辨别游戏方格中有活性和无活性的逻辑门，并且经过多次测试，都能得到同样的结果。

下一个目标

将100多个分子逻辑组件有序地整合成一个单一系统，这具有里程碑意义。用电子行业的术语来说，MAYA—Ⅱ是第一个“中等规模的分子集成电路”。研究如此复杂的装置，这就要求我们将脱氧核酶逻辑门制成即插即用的运算单元。我们实验室正利用现有的组件进行尝试，而且已能设计不需要任何微调，就可以即时工作的逻辑门。

我们还准备将自己的逻辑门技术与其他分子计算方式结合起来。美国加州理工学院的埃里克·温弗里（Erik Winfree）提出了 “链置换级联反应”（strand displacement cascades），可用于分析短小DNA链的混合物。在这种方法中，DNA链的结合、连接和置换都不需要任何类似于脱氧核酶的催化剂。温弗里的系统可以看作是由5个单元串联起来的，但我们现在的体系，即使将三层逻辑门串联，运算速度也会非常缓慢。由于MAYA—Ⅱ非常复杂，现在只有一个单层逻辑门发挥功能，大约每15分钟下一步棋。

但是，我们对逻辑门的集成充满信心，也将勇于面对这一挑战。我们希望在未来某一天，能在媒体上报道这样一种分子混合物：通过玩某种示范游戏或引入一种选择机制，它们能学会某种策略。如果能做到这一步，我们就可以“训练”分子自动机，用于识别人体内的癌细胞。

就目前而言，我们最重要的工作是在自动机中集成新的基元，让它执行更多的功能（例如传感和移动）。新一代自动机使用起来将更加方便——只要输入某种信号，它可以执行相应的功能。到那时，我们发明的即插即用式系统将不仅能玩游戏，还可以应用于实际工作中。