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图 DNA卷积神经网络用于分子信息图谱分类
在国家自然科学基金项目（批准号：21722502、22074041、21991134、T2188102）等资助下，华东师范大学化学与分子工程学院裴昊教授团队用DNA构造出了卷积神经网络，其能直接处理复杂的生物分子信息，具备对32类分子图谱信息分类功能，是迄今为止规模最大、功能最复杂的人工化学分子智能反应网络。研究成果以“基于DNA调控电路的分子卷积神经网络（Molecular convolutional neural networks with DNA regulatory circuits）”为题，于2022年7月4日在《自然·机器智能》（Nature Machine Intelligence）上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s42256-022-00502-7。
DNA计算机是一种生物形式的计算机，由一系列生物分子以溶液形态组合而成，通过生物化学反应进行高度并行计算，实现分子信息的快速处理，也有人称之为“液态电脑”。相较于传统硅基计算机仅能处理符号信息，DNA计算机能够使科学测量（感知信息）与化学反应同步，对生命活动中的分子特征信息进行直接检测与感知。普通的医学检测仅能测量出少量生物分子，如果使用大规模生物分子电路，有可能同时对数百种生物分子进行诊断测试，并直接在化学和生物环境中实现分析和诊断。基于DNA分子链置换反应机制，研究人员实现了包括布尔逻辑计算、模拟计算及神经网络计算等多种运算功能的DNA计算机的构建。然而，如何扩展分子反应系统的规模及其复杂性，构建具有更强大计算能力的人工分子反应网络，仍具有极大的挑战。
研究团队在核酸化学研究的基础上，面向分析化学、计算机科学与分子生物学的交叉融合发展，针对发展超大规模DNA分子反应网络关键科学难题，以分子开关门架构为基础电路组件，基于权重调节区域与识别区域功能的模块化，实现了信号传输功能与权重赋予功能的独立调控以实现权重共享。该策略成功实现了多种数学运算，包括分子权重乘法、加法、减法、多输入乘加（MAC）计算及复杂卷积计算。基于多种模块化分子运算单元的级联组合，进一步构建了一种大规模DNA神经网络，包含512个分子，涉及数千种化学反应，可产生数百种分子产物，能实现对32类144-bits分子信息图谱识别分类，所构建的DNA神经网络展现了强大的分子图谱信息处理能力，有望进一步在智能生物传感等领域得以应用。