微软研发DNA分子计算机——为治愈癌症迈出坚实一步

微软取得DNA分子计算机技术突破

大幅提升 DNA 分子运算能力

实时检测、监控细胞的基因突变将成为可能

科学期刊《Nature Nanotechnology》上刊出了一篇名为“一种用于快速模块化DNA计算的局部空间结构”（A spatially localized architecture for fast and modular DNA computing）的论文，作者包括华盛顿大学博士后研究员 Gourab Chatterjee、微软生物计算组组长 Andrew Phillips 和微软科学家Neil Dalchau等人。

这篇论文介绍的内容是微软与华盛顿大学的专家团队合作研发的可以大幅提升 DNA 分子运算的研究成果，这将推动利用 DNA 分子运算对体内基因突变、癌症检测及监控的发展脚步。研究团队用实验证明，新型的 DNA 计算机仅用了七分钟就完成了之前版本的DNA计算机需要四个小时才完成的复杂计算。

DNA分子计算机是一种生物形式的计算机，传统计算意义上的“加”、“减”操作变成了化学性质的切割和粘贴、插入和删除，可以存储海量数据并进行前所未有地复杂计算。

微软会在 DNA 计算领域取得突破并非一朝之功，背后是其科学家团队为攻破癌症难题所做的多年研究。医学家用试管和烧杯研究病症，而微软的科学家、工程师们用的则是算法和计算机，并试图运用横跨计算机科学与医学的研究方式攻破人类面临的最复杂、最致命的病症——癌症。

微软英国剑桥研究院高级研究员、Jasmin Fisher 表示，他们试图改变生物学传统的研究方式。微软的研究团队结合机器学习、自然语言处理技术和计算机视觉等技术，为医学家开发了解癌症发展情况以及选择最适合治疗方案的算法。

微软全球资深副总裁、卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真教授表示，微软的科学家团队确定了两种针对癌症的基本研究方法，第一种方法是计算驱动，即把癌症以及生理变化过程看作是一种信息处理系统，用编程语言和模型检测器对病理的变化流程进行建模和推理。

第二种方法是数据驱动，即运用机器学习技术对大量的生物病理数据进行分析，并不断研发各种分析工具来观察和治疗癌症。

经过生物学家和计算机科学家的通力合作，微软认识到，癌症并不是只治疗发病的器官，如脑癌就治疗大脑，肺癌就治疗肺。而是应该从引发癌症的基因入手，对细胞进行编程，使计算驱动和数据驱动两种方法在DNA分子计算中得到融合。

作为微软的科学家和生物学家 Jasmin Fisher 和她的团队认为，如果可以知道是什么因素触发了正常细胞变成癌细胞，人们就可以控制和修复它，癌症也就不再是问题了。她的目标是开发一个描述细胞不正常行为的程序并与癌细胞对比，以找出改正不正常行为的方法。

为此，Fisher和她的团队正在研究的一种名为生物模型分析器（Bio Model Analyzer，BMA）的工具，该工具基于云计算，可以让医学家看到导致癌症的人体中数百万基因和蛋白质之间的互动，并快速制定最适合且危害最小的方个性化治疗方案。

但是，人体中存在太多相互影响的变量以及海量的数据信息，需要开发前所未有的强大计算模型，同时建立极为复杂的模型，并未寻找异常情况运行所有可能的解决方案。

以硅为介质的电脑芯片无法提供该工具所需的庞大数据存储和分析需求，微软只能选择其他的计算平台，而这个平台不在别处，就在我们的身体中，一克 DNA 分子中包含数十亿的遗传信息，一毫克的分子就能装下美国国会图书馆的所有书籍。2016年，微软联合华盛顿大学的科学家研究利用 DNA 来存储数据，并成功在一段 DNA 片段中存储了 200MB 的数据。

微软生物计算组组长 Andrew Phillips 当时表示，他们正努力开发某种分子计算机，可以放到细胞内监测基因的突变。如果传感器检测到疾病的发生，会启动应对措施对其进行治疗。

时至今日，微软和华盛顿大学在DNA分子计算领域取得了突破性的成果，研究团队表示，以 DNA 序列作为运算对象建立的 DNA 计算机，具有实时探测和监控基因突变等细胞内一切活动的特征信息，以及确定癌细胞等病变细胞的功能。

下一步，他们希望利用 DNA 计算逻辑的运算判断能力开发出能智能检测的 DNA 计算机设备，并使得基于 BMA 工具个性化治疗方案成为现实。

Andrew Phillips 表示，虽然这次的进步让人振奋，但目前距离成熟的 DNA 计算机仍有很大距离，他们的研究团队还将对DNA分子链的创造和挑选等难题发起挑战。