北大研究团队在生物计算机研究中取得突破成果

生命体是一个以生物大分子为材料构成的人类已知的最智慧的信息处理“机器”。所以,人类近几十年来,意在用生物材料研发信息处理的计算机,称为生物计算机。当前的生物计算机主要集中于DNA计算机的理论、实现技术与方法展开研发。

DNA计算机目前的研究方向有两个:一个是以DNA分子作为“数据”,以生物酶或生化操作为信息处理的“工具”来研发DNA计算机,其功能类似于当今的电子计算机;另一类是以DNA为纳米材料,以DNA自组装技术为主要技术手段来构建纳米机器。例如构建纳米机器人来实现疾病诊断和治疗,快速实现纳米电路。近些年,北京大学计算机科学技术系高可信软件教育部重点实验室的许进团队在DNA计算机的上述两个方面均取得了突破性进展。

北大研究团队在生物计算机研究中取得突破成果

在DNA计算机领域,课题组针对典型的NP-完全问题——图着色问题的求解,相继提出了非枚举、并行、大规模DNA计算模型后,从理论上对并行DNA计算模型给予系统研究,研究成果《A DNA Computing Model for the Graph Vertex Coloring Problem Based on a Probe Graph》发表在领袖级期刊《Engineering》上。该成果包括在实验方面,实现人类非传统计算机最大规模问题的求解,其算法复杂度到达359;在理论方面,有机将DNA特性与数学模型相结合,整个计算模型中含4个并行部分。美国科学院院士Erik Winfree和美国加利福尼亚大学教授Richard Beigel评价为“你们突破性的成果振奋人心”。审稿专家称该成果是“继Adleman开创生物计算后最重要的突破”。

DNA自组装方面,课题组设计了一种可复用的十字形DNA瓦片结构。DNA瓦片两两之间能任意拼接,构成大小可控的逻辑阵列。折纸结构上的沟道,为纳米电路的排布留下了布线空间。该方法大幅减少了所需DNA瓦片的数量,且降低了连接复杂度。相关成果以封面论文发表在2020年7月的国际著名期刊《Nanoscale》上,该成果的第一作者为许进的博士生陈从周,许进为通讯作者。

另外,许进团队课题组聚焦DNA计算理论和DNA分子机器,围绕生物计算、自组装等领域开展研究。设计了非枚举型的计算模型,可控DNA环阵列,相关成果在IEEE Trans等杂志等上发表,受到英国化学皇家学会的专题报道

系列研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金多项面上项目资助。[北京大学]

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