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Nature：突破性进展，科学家用热能驱动DNA计算机实现数据存储

景点排名 2025年10月03日 02:16 0 aa
Nature：突破性进展，科学家用热能驱动DNA计算机实现数据存储

信息来源：https://www.nature.com/articles/d41586-025-03202-5

加州理工学院研究团队在《自然》杂志发表的最新研究成果，为DNA计算机找到了一种全新的能源解决方案——热能。这项突破性发现解决了DNA计算领域长期面临的核心难题，为未来分子计算机的实用化铺平了道路。与传统硅基芯片依赖电力不同，这种生物计算系统能够通过简单的温度循环实现自我充电，为数据存储和复杂运算提供持续动力。

DNA计算机自1994年首次被提出以来，就被视为传统电子存储系统的可持续替代方案。这些微型生物设备利用DNA碱基的生化特性进行计算和信息存储，理论上具有极高的存储密度和超长的保存时间。然而，为这些分子机器寻找稳定可靠的能源一直是科学界面临的重大挑战。

该研究的合著者、加州理工学院生物工程师鲁鲁·钱表示："这项工作表明未来人造分子机器可以自我充电并长时间保持活跃。这就像自动驾驶汽车自行驶入充电站一样，分子有一天可以在加热站实现自我充电。"这种比喻生动地描述了热能驱动DNA计算机的革命性意义。

热非平衡态的创新设计

Nature：突破性进展，科学家用热能驱动DNA计算机实现数据存储

DNA 可以在没有任何能量输入的情况下存储信息数百万年，但科学家们缺乏可靠的能源来实现 DNA 计算。 图片来源：Kateryna Kon/SPL

研究团队的创新在于开发了一种能够陷入热非平衡状态的分子回路。在这种特殊状态下，DNA分子充当能量储存器，能够吸收回路试图回归平衡时产生的能量。这一设计灵感来源于早期地球生物进化的理论模型，科学家认为自然界中火山岩石产生的热量可能为原始海洋中的化学反应提供了驱动力。

具体而言，研究人员在DNA分子之间建立了不稳定的连接结构。通过改变反应温度，可以精确控制这些系统内部的能量存储状态。当系统处于高温状态时，DNA分子变成单链结构；而当系统冷却时，电路会重置到原始状态。这种加热和冷却的循环过程能够在几分钟内实现平衡态和非平衡态之间的转换，其效果类似于为电池充电。

钱教授强调了这种充电方式的独特优势："与化学电池不同，这种充电过程几乎不会浪费能量。"这意味着热能驱动的DNA计算机在能源效率方面具有显著优势，特别是在需要长期运行的应用场景中。

研究团队通过严格的实验验证了这一概念的可行性。他们测试了涉及200多种不同分子的DNA计算机系统，成功为一系列复杂计算提供了稳定的能源支持，并证明该系统能够进行至少16轮连续计算操作。这一实验结果表明热能驱动的DNA计算机已经具备了处理实际计算任务的能力。

学界反响与技术评价

英国纽卡斯尔大学生物计算工程师纳塔利奥·克拉斯诺戈尔对这项研究给予了高度评价，认为它在寻找DNA计算机新能源方面"有些违背常理"。他指出："他们拥有的是一个非常简洁的系统，只需改变温度即可重置，这很棒，因为这是您可以用作开关的最简单的东西。"

这种基于温度控制的开关机制确实体现了系统设计的巧妙之处。与复杂的生化信号调控相比，温度控制具有操作简便、响应迅速、精度可控等优势，为DNA计算机的实际应用创造了有利条件。

然而，学术界对于最佳能源选择仍存在不同观点。英国剑桥大学DNA计算研究员罗斯·金认为，虽然热能作为计算机能源很有趣，但使用ATP等分子可能更好地模仿生物体中的自然能源系统。这一观点反映了DNA计算领域在能源策略上的多元化发展趋势。

克拉斯诺戈尔进一步指出，热能不会是DNA计算的唯一能源解决方案，但它确实提供了一个"简单而重要的解决方案，可以简化在诊断和DNA数据存储等应用中使用DNA计算的过程"。这种务实的评价体现了科学界对技术多样性和应用针对性的重视。

应用前景与发展挑战

DNA计算机的潜在应用领域极其广泛，包括大规模数据存储、复杂数学问题求解、生物数据分析等。特别是在数据存储方面，DNA具有无与伦比的优势：理论上1克DNA可以存储相当于数万亿张DVD的信息量，且在适当条件下可以保存数千年甚至数万年。

热能驱动技术的出现为这些应用场景提供了新的可能性。在需要长期数据保存的场合，如历史档案、科学数据库、文化遗产保护等领域，热能驱动的DNA存储系统可能具有独特的优势。此外，在生物医学诊断、环境监测、太空探索等特殊环境中，这种依赖环境热量的自供电系统也展现出巨大的应用潜力。

然而，从实验室概念到实际应用仍面临诸多挑战。首先是规模化生产的技术难题，目前的DNA合成成本仍然较高，大规模应用需要进一步降低成本。其次是系统稳定性和可靠性的验证，虽然实验证明了16轮计算的可行性，但实际应用可能需要数千甚至数万轮的稳定运行。

读写速度也是需要解决的重要问题。与电子存储系统相比，DNA存储系统的读写速度相对较慢，这可能限制其在需要快速响应的应用场景中的使用。此外，DNA系统对环境条件的敏感性也需要通过技术改进来克服。

钱教授对技术发展前景持乐观态度："如果其他人能够在概念验证的基础上继续推进这项工作，在未来几十年内，原本感觉'纯粹想象'的东西可以成为现实。"这种预期反映了科学界对DNA计算技术发展潜力的信心，同时也认识到从基础研究到实际应用需要持续的技术创新和工程优化。

这项研究不仅为DNA计算机提供了新的能源解决方案，更重要的是开辟了生物计算与热力学相结合的全新研究方向。随着技术的不断完善和成本的进一步降低，热能驱动的DNA计算机有望在未来信息技术发展中发挥重要作用。

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