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圖 DNA卷積神經網絡用于分子信息圖譜分類
在國家自然科學基金項目（批準號：21722502、22074041、21991134、T2188102）等資助下，華東師范大學化學與分子工程學院裴昊教授團隊用DNA構造出了卷積神經網絡，其能直接處理復雜的生物分子信息，具備對32類分子圖譜信息分類功能，是迄今為止規模最大、功能最復雜的人工化學分子智能反應網絡。研究成果以“基于DNA調控電路的分子卷積神經網絡（Molecular convolutional neural networks with DNA regulatory circuits）”為題，于2022年7月4日在《自然·機器智能》（Nature Machine Intelligence）上發表。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42256-022-00502-7。
DNA計算機是一種生物形式的計算機，由一系列生物分子以溶液形態組合而成，通過生物化學反應進行高度并行計算，實現分子信息的快速處理，也有人稱之為“液態電腦”。相較于傳統硅基計算機僅能處理符號信息，DNA計算機能夠使科學測量（感知信息）與化學反應同步，對生命活動中的分子特征信息進行直接檢測與感知。普通的醫學檢測僅能測量出少量生物分子，如果使用大規模生物分子電路，有可能同時對數百種生物分子進行診斷測試，并直接在化學和生物環境中實現分析和診斷。基于DNA分子鏈置換反應機制，研究人員實現了包括布爾邏輯計算、模擬計算及神經網絡計算等多種運算功能的DNA計算機的構建。然而，如何擴展分子反應系統的規模及其復雜性，構建具有更強大計算能力的人工分子反應網絡，仍具有極大的挑戰。
研究團隊在核酸化學研究的基礎上，面向分析化學、計算機科學與分子生物學的交叉融合發展，針對發展超大規模DNA分子反應網絡關鍵科學難題，以分子開關門架構為基礎電路組件，基于權重調節區域與識別區域功能的模塊化，實現了信號傳輸功能與權重賦予功能的獨立調控以實現權重共享。該策略成功實現了多種數學運算，包括分子權重乘法、加法、減法、多輸入乘加（MAC）計算及復雜卷積計算。基于多種模塊化分子運算單元的級聯組合，進一步構建了一種大規模DNA神經網絡，包含512個分子，涉及數千種化學反應，可產生數百種分子產物，能實現對32類144-bits分子信息圖譜識別分類，所構建的DNA神經網絡展現了強大的分子圖譜信息處理能力，有望進一步在智能生物傳感等領域得以應用。