德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員創(chuàng)造了一種新的編程語言CRN++，旨在設(shè)計合成分子并對其進(jìn)行編程，通過編程分子定義它們之間的化學(xué)反應(yīng)。研究人員還開源代碼，包括CRN ++，以及模擬框架。

合成生物學(xué)是一個相對較新的研究領(lǐng)域，可能會對生物學(xué)、納米制造、醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。這個新興領(lǐng)域的一個主要挑戰(zhàn)是在無法插入電子微控制器的情況下，在分子環(huán)境中嵌入計算。要做到這一點，需要開發(fā)出可以使用分子成分有效表示計算的方法。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的一組研究人員創(chuàng)造了一種新的編程語言CRN++，這是一種在執(zhí)行計算時編程確定性（質(zhì)量作用）化學(xué)動力學(xué)的新語言。他們在arXiv預(yù)印版論文中描述了這種新語言，并構(gòu)建了一個將CRN++程序翻譯成化學(xué)反應(yīng)的編譯器。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/1809.07430.pdf

“合成生物學(xué)的一個關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)就是設(shè)計一種在細(xì)胞環(huán)境中相互作用的化學(xué)控制器，以完成特定的任務(wù)，”這項研究的研究人員之一Marko Vasic說：“為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，有必要設(shè)計合成分子并對其進(jìn)行編程。分子通過化學(xué)反應(yīng)相互作用，而通過編程分子，我們可以定義它們之間的相互作用規(guī)則（化學(xué)反應(yīng)）?！?/p>

Euclid算法以及如何用CRN++編寫圖片來源：Vasic et al.

最近，DNA合成取得的進(jìn)展為分子工程開辟了新的、令人興奮的可能性。然而，合成生物學(xué)的研究人員首先需要找到設(shè)計相互作用規(guī)則（化學(xué)反應(yīng)）的方法，以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。這項研究的主要目的是設(shè)計一種能夠以更直觀的方式表達(dá)化學(xué)反應(yīng)行為的高級語言。

Vasic解釋說：“在軟件工程中，程序員用一種易于理解的高級語言編寫程序，這樣的程序被編譯成機(jī)器代碼，這些代碼人類難以理解，但機(jī)器可以理解?！?“我們試圖通過定義一種高級語言來建立分子編程中的類比，這種語言更容易理解，也更容易編譯成‘復(fù)雜的’化學(xué)?！?/p>

編譯器的輸出以及CRN++程序的模擬結(jié)果。 圖片來源：Vasic et al.

CRN++基于兩個想法：模塊化和振蕩器（oscillator）的使用。模塊化意味著該語言包含一組稱為模塊（modules）的化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)可以在不同的反應(yīng)集之間不受干擾地組成。為了實現(xiàn)這一點，研究人員將CRN++的基本操作映射到這些模塊。他們還使用了一個化學(xué)振蕩器（chemical oscillator）來進(jìn)行時間排序，這樣他們就能夠?qū)⒄Z言中的有序命令翻譯成化學(xué)。

“據(jù)我們所知，我們是第一個提供符合化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的命令式編程語言的團(tuán)隊，”Vasic說?！拔覀冮_源了代碼，包括CRN++，以及模擬框架，因為我們希望這將幫助研究人員更容易嘗試新的方法，從而進(jìn)一步推進(jìn)該領(lǐng)域的研究?！?/p>

研究人員對CRN++進(jìn)行了評估，并證明了其在一系列離散和實值計算算法上的可行性。新語言還可以輕松擴(kuò)展，以支持新的命令或?qū)崿F(xiàn)，使其成為開發(fā)更高級的分子程序的理想基礎(chǔ)。

“從CRN++翻譯成化學(xué)的程序包含一些錯誤，這些錯誤在某些類別的程序中可能非常低，但在其他程序中可能很高，或隨著時間的推移錯誤會逐漸增加，”Vasic說：“因此，我們計劃進(jìn)一步調(diào)查錯誤來源并設(shè)計程序，以確保錯誤不會超過一定的界限。”

Vasic和他的同事們也希望通過包含新的模塊來擴(kuò)展他們的編程語言，這些模塊被定義為可以執(zhí)行基本操作的化學(xué)反應(yīng)集。