《科学》两篇文章：DNA交叉研究

　　

生物通报道：在12月8日《Science》杂志上有两篇研究报告聚焦在DNA生命科学与信息计算科学相互交叉学科方面，其中一篇来自纽约大学的研究人员在纳米机器人研究上首次得到了DNA芯片和纳米科技设备的固体结合体，而在另一篇文章中，研究人员设计了一组单股DNA的组件，可以用于比如与、或、非的逻辑线路。

在这两项研究中具有华人科学家的参予，第一篇文章第一作者为丁宝全博士，第二篇文章参予实验的有来自加州理工的张玉（David Yu Zhang）。

原文摘要：
Science 8 December 2006:
Vol. 314. no. 5805, pp. 1583 - 1585
DOI: 10.1126/science.1131372
Operation of a DNA Robot Arm Inserted into a 2D DNA Crystalline Substrate  [Abstract]

Science 8 December 2006:
Vol. 314. no. 5805, pp. 1585 - 1588
DOI: 10.1126/science.1132493
Enzyme-Free Nucleic Acid Logic Circuits  [Abstract]

纳米机器人需要精确的定位和特殊纳米设备的操作，由于DNA具有结构上的可编程性，因此成为了纳米机器人的一种独具吸引力的系统。在第一篇文章中研究人员获得了一个能将序列依赖性（sequence-dependent）有力的DNA机械手（robot arm）插入一个二维的水晶DNA芯片（crystalline DNA array）中的“DNA盒子”，通过原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM）研究人员证明了这种装置在整合后是完全有效的。

这种装置是基于之前由纽约大学的一名为廖士平（Shiping Liao，音译）的研究生主导发明的一种能使DNA序列进行翻译的设备，因此潜在的成为了一种组装新材料构建“砖石”的“加工工厂”。这种发明能用于制造新合成纤维，发展信息加密技术（encryption of information），也可以用于DNA计算（DNA-based computation）。

然而虽然这种设备能模仿DNA序列拷贝出来的RNA序列，从而被翻译成蛋白序列的过程，但是控制纳米机械工具信号的是DNA而不是RNA，因此在这一篇研究报告中，Ding等人在之前的基础上构建了一个包含绑定位点——“DNA盒”——的构架，这就能让这种设备插入到一个DNA芯片的特异性位点，改变“DNA盒”的调控序列或插入序列，研究人员就能操作芯片，或者将其插入到不同的位置。同时研究人员也在构架中加了一个长手臂，使得他们可以观察到half-rotation之后的结构——这主要是通过原子力显微镜完成的。

在第二篇文章中，来自加州理工大学应用物理学系等处的研究人员利用生物体能进行复杂信息处理过程和成熟的生物化学网路调控完成任务这一特点，制造了一种DNA分子部件，能实现作为计算基础的逻辑操作。这些通常用电子器件制造的门通过对“输入”施以某种规则来得到“输出”。在这项新研究中，这些部件通过让一个门输入的DNA股与另一个门的暴露或没有配对的DNA股结合来实现一些操作。 

另外在本期的《Science》杂志上，Walter Fontana对这种生物和计算开始汇合的一些方面也进行了评述（Science 8 December 2006，Vol. 314. no. 5805, pp. 1552 - 1553 Pulling Strings）。
（生物通：万纹）

附：
记“DNA计算机交叉创新团队”

近年来，在国家自然科学基金支持的项目中，越来越多的课题呈现出学科交叉、融合和相互渗透的趋势。由上海交通大学Bio-X中心和中科院上海应用物理研究所等专家组成的DNA计算机交叉创新团队，就是“在单一学科纵深发展的基础上进行立体交叠”，从而取得不菲成绩的一个优秀团队。 

一项低调发布的成果 

4月初，中国科学院网站主页上出现了一条短消息：在国家自然科学基金委、中科院、科技部和上海市科委的支持下，中科院上海应用物理研究所研究员樊春海与上海交通大学Bio-X中心贺林院士、张治洲教授（现为天津科技大学教授）为主的“DNA计算机交叉创新团队”，应用DNA核酶研制成功一类新型的DNA逻辑门。尽管这条消息很短，但在此后的几天里仍被多个网站转载，并引起数家平面媒体的跟踪报道。 

“这是网站编辑又加工了一次，做了些更吸引人眼球的处理”，樊春海说，“我们上报成果的标题并不是这样的”。樊春海所说的“上报成果”是中科院系统内的信息上报制度，即各分院、研究所都有人负责及时把所里的研究成果报给中科院信息处，再由信息处进行筛选，提交中科院网站发布。因为各所上报的信息难免有公文的行文倾向，所以网站编辑会对信息做出符合新闻标准的再加工。这条由上海应用物理所上报的消息也被编辑加了一个“为发展DNA计算机奠定了基础”的副标题。 

电子计算机在很大程度上改变了人类的生活方式，然而传统的集成电路工艺已经越来越接近技术所能容许的极限。而生物计算机的诞生和发展无疑对人工智能的研究提供了一个可能的选择。在传统的电子计算机发展过程中，也经历过微处理器应用基本逻辑门（与、或、非等）构建能够执行布尔数学逻辑的电子电路的阶段。与此类似，在分子运算中一个主要的目标就是设计出可寻址的分子逻辑门。因此，编辑将这条“应用DNA核酶研制成功一类新型的DNA逻辑门”的消息加上“为发展DNA计算机奠定了基础”的副题，以及这条消息受到广泛的关注，也就不难理解了。 

“我们只是在DNA计算方面作了些探索，还不能让我们联想到计算机。”樊春海低调地说，“现在一些媒体用‘雏形’、‘奠定基础’等来描述当前的DNA计算机研究，可能还有些夸大。这种发展DNA计算的路行得通行不通都有待于进一步的探索。” 

推荐一篇文章，诞生一个团队 

2002年，张治洲从国外回来，到上海交通大学Bio-X中心工作。中心有个惯例，每周都会抽出时间让实验室的教授和研究生一起交流讨论。交流会上，与会者要向别人介绍自己一周来所做的工作，有什么新的想法，或者是将自己看到的好文章推荐给别人。在一次交流会上，有位研究生把自己看到的一篇发表在《自然》上的论文推荐给大家。那是以色列魏茨曼研究所研制出一种由DNA分子和酶分子构成的DNA计算机的文章。 

这篇文章引起了中心成员的极大兴趣。由于当时新型计算机的研究是一个热点，国际上的竞争也很激烈。而中国人在电子计算机核心技术上的知识产权份额很少，如果中国能在DNA计算机核心理论和关键技术的研制上有所突破，将可能在相关知识产权上有很大的主动性，为国家谋取巨大的经济利益，取得重要的战略价值。 

同时，进行这项研究需要DNA分子研究专家和计算科学的专家及相关学科合作攻关。这也正好与上海交通大学Bio-X中心，致力于构建由不同学术背景的人才领导的“核心”和“卫星”研究室，进行“立体交叠”式发展的思路一致。DNA计算在一定程度上可以折射出生命科学与计算科学需要逐步交叉融合的大趋势，所以从这个角度来讲,Bio-X中心开展DNA计算研究也是一种必然。结合国内做生物计算的研究情况，Bio-X中心成员认为“自己完全有能力做这方面的研究”。 

2002年7月，上海交通大学Bio-X中心开始向上海市科委提出建立研究团队的申请，很快得到上海市和上海交大的支持，不久“DNA计算机交叉创新团队”就组建了起来。团队由十几个课题组，凝聚了生物、计算机、数学、机电设计、软件、微电子、纳米生物等多学科的专家。2003年，樊春海完成加州大学的博士后研究回到国内，也以中科院上海应用物理研究所研究员的身份进入团队。 

由于这一项目从长远来看应用前景广阔，但“现在一切只是开始的摸索，一切都还不明朗”。同时这也是一个很大的基础研究课题，需要很大人力、财力的投入。创新团队中每个课题组除了团队的合作研究外，还要承担另一些课题。DNA计算机交叉创新团队这种合作形式得到了上海市科委、国家自然科学基金委、中科院、上海交大、科技部等多方支持。 

三年多时间跻身学科前沿 

利用DNA分子构建计算机的历史只有短短的十几年时间。而2002年成立的DNA计算机交叉创新团队在短短3年多时间里，走过了先跟进，再创新的历程。在深入交叉的基础上跻身学科的前沿。 

1994年，DNA之父埃德曼在《科学》上发表文章，提出了DNA计算的思想。并利用DNA计算机实现了具有7个城市和13条航线的“哈密尔顿路径问题”。这一成果在国际上产生了极其巨大的反响，并被称为DNA计算机研究中的里程碑，此后各国研究者纷纷投入该领域的研究。 

张治洲说：“1994年，国内就有学者开始跟踪研究，但可惜的是基本上仅限于计算机、自动控制、信息和软件领域的学者在搞。他们做了大量的工作，但因为对生物实验方面并不熟悉，所做的多是理论研究。后来，他们也曾和生物学家合作研究过，但直到2001年前后，我国在DNA计算的实验研究方面的状态并不理想。而DNA计算研究如果没有实际的DNA分子实验进展的话很难有所突破。” 

2002年，DNA计算机交叉创新团队形成一支“以生物学，纳米技术为主力，从生物口出发结合其他学科合作”的队伍。在进行一年多的跟踪研究后，“国际上之前做的实验我们都重新进行过改进设计，加入了一些新的想法，重做了一遍，进行些必要积累”。2003年底，团队在《科学通报》上发表文章，宣布在试管中完成了DNA计算，把自动机与表面DNA计算结合到一起，完成了密尔顿路径问题。新华社以《试管中完成了雏形研制工作，我国有了首台生物计算机》为题作了报道。这引起学术界的极大关注，也引起一些关于这应称为“DNA计算”还是“DNA计算机”的争议。2005年，团队又以“纳米金辅助的聚合酶链式反应”在《德国应用化学》上发表论文，这一种新的基因操作技术，也为DNA计算算法对应的分子实验的效率达到更高的水平作了准备。 

2006年3月，团队成员陈曦等在《德国应用化学》上发表论文，完成了在DNA核酶结构基础上通过模块设计研制出“DNA逻辑门”的工作。从而实现“YES”、“NOT”等逻辑判断，并在此基础上组合成更复杂的三种输入逻辑门 “AND(A, NOT(B), NOT(C))”。这三种输入逻辑门的组合是一套通用运算符号。“因此，理论上图灵机的所有运算均可以通过其组合而实现。” 

“与2003年完成的生物计算相比，这次DNA逻辑门系统的特色在于排除以往DNA逻辑门设计中RNA核苷的参与，仅应用DNA分子。”樊春海介绍说，“从而避免了RNA核苷带来的系统不稳定性。如果DNA计算机这条路行得通的话，这也只是做了些基础的工作。该逻辑门系统还有后续的其他技术问题需要逐步解决，这些都需要时间。” 

科学基金促进学科纵深交叉 

“我们是在‘单一学科纵深发展的基础上’进行的学科交叉。”张治洲介绍说，DNA计算机交叉创新团队的合作交流分两种形式，一是内部会议讨论，另一个是文献共享。“每周都有各学科间的研究进展交流，内部会议通常是周五的下午6点钟开始，9点钟结束，但很多时间都会搞到十一二点。”张治洲去年年底到天津科技大学履新前（目前仍然是交叉研究团队成员）一直在Bio-X中心工作，因为贺林承担着一些其他的国家和地方重大课题，时间安排非常紧张。DNA团队成员间的联系和沟通就由张治洲来代理，管理工作由冯国鄞老师代理。 

上海交大也给团队很大支持，学校网络中心通过Bio-X中心，专门给DNA计算机交叉创新团队建了一个网上交流平台。专门用于DNA计算研究相关的文章、资料、讨论、新闻等材料在团队成员之间的交流。 

张治洲说：“DNA计算机研究中将来一个关键的问题就是DNA纳米操纵，而进行这样的实验仪器设备很重要，只有为数不多的实验室能够进行。所以团队深度交叉很重要。而这种多学科、多机构间的合作，更是离不开多个单位的支持。”团队成员樊春海在这一研究之外，还主持和参与了国家自然科学基金的面上和重点项目，也得到过中科院的支持。贺林曾获得国家杰出青年基金，得到上海市、上海交大、中科院等多项支持。每位研究者手上都有自己的科研题目，能在自己的研究领域深入进行下去。正是在国家自然科学基金和其他部门的支持下，才能够让很多像“DNA计算机交叉创新团队”一样的学科交叉得以深入进行，并做出一些扎实的有特色和有力度的工作。