研究人员发现了一种方法，可以利用电场梯度控制氮核自旋，从而在原子层面上操控DNA。

他们的研究结果表明，DNA 可以用作未来量子计算设备的存储和计算机制。

解锁用于量子计算的 DNA

北京大学研究人员最近的一项研究强调了核电共振利用电场梯度控制DNA中氮原子核自旋的潜力。这一突破表明，DNA有朝一日或可用于计算。

本研究结合了分子动力学模拟、量子化学计算和理论分析，揭示了电场梯度如何与DNA中的氮原子相互作用，并通过核自旋取向对遗传信息和结构信息进行编码。

相关研究成果已于近期发表在《科学合作伙伴期刊》旗下的《智能计算》的一篇开放获取文章中，题为《利用电场梯度和核自旋在脱氧核糖核酸中编码遗传和结构信息》。

解码DNA中的自旋模式

“我们的研究揭示了DNA分子中氮原子位点电场梯度主轴方向的模式，表明这些方向与碱基的类型和DNA的三维结构密切相关，”作者表示。从本质上讲，氮原子核自旋方向存储了DNA序列及其三维形态的信息。这一发现为将DNA用作量子计算中的数据存储系统提供了可能。

要使DNA充当计算设备，它还必须具有处理机制。研究表明，质子核自旋（比氮核自旋更复杂多变）可以与氮原子相互作用，从而促进计算。这种相互作用有望促成基于DNA的量子计算系统，使生物分子在下一代计算技术中的应用成为可能。

氮原子如何塑造 DNA 的量子潜能

DNA中的氮原子与三个或两个原子结合，从而产生不同的电场梯度方向。在前者情况下，主轴始终垂直于基平面，而在后者情况下，主轴要么与键的二等分线对齐，要么近乎垂直于二等分线，这取决于碱基和氮的类型。这四种方向分别对应于四种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。

此外，自旋系统模拟对相邻碱基的电场梯度数据进行了分析，结果表明，对于与腺嘌呤和鸟嘌呤中的原子结合的氮原子，其核自旋方向的偏转角与碱基的结构偏转角一致。然而，胞嘧啶和胸腺嘧啶表现出更大的变化性，氮原子方向没有固定规律。

模拟无形：分子建模在实践中的应用

为了研究DNA中的电场梯度，作者使用时间相关的分子动力学模拟来构建DNA分子的原子坐标模型。他们采用了一个添加了离子以确保呈电中性的水合DNA系统，并实施了严格的平衡和模拟步骤。随后，作者对选定的核苷酸子集进行了量子化学计算，重点关注DNA碱基内的氮原子位置。通过分析电场梯度分量来提取主轴方向和特征值。

作者通过比较DNA中两个相邻同质碱基结构的偏转角与核电场梯度的偏转角，研究了核自旋方向偏转角对DNA结构的依赖性，以及在电场梯度下氮核自旋对周围质子核自旋方向的影响。

继往开来：拓展量子前沿

本研究是在作者先前研究的基础上进行的，先前的研究侧重于核电共振的潜力，即利用电场梯度控制磷脂膜上钠离子的核自旋。

这项新研究扩展了先前的研究发现，揭示了电场梯度、氮原子取向和DNA碱基结构之间的复杂关系，加深了对通过分子层面的人工干预进行DNA计算的理解，并为未来量子计算机设计和遗传信息处理方法的创新开辟了道路。

参考文献：《利用电场梯度和核自旋在DNA中编码遗传和结构信息》，作者：郑宇、任全生，2024年12月12日，发表于《智能计算》。数字对象标识符（DOI）：10.34133/icomputing.0094