CN110533155A

CN110533155A - 一种基于dna链置换的三级联分子组合电路的实现方法

Info

Publication number: CN110533155A
Application number: CN201910823438.2A
Authority: CN
Inventors: 孙军伟; 刘鹏; 耿盛涛; 王盼如; 王延峰; 姜素霞; 王英聪; 黄春; 方洁
Original assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Current assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2019-12-03
Anticipated expiration: 2039-09-02
Also published as: CN110533155B

Abstract

本发明提出了一种基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法，其步骤为：基于DNA链置换反应研究DNA链置换反应原理；根据DNA链置换反应原理，分别设计与或分子组合逻辑门、与非或非分子组合逻辑门和异或同或分子组合逻辑门；使用Visual DSD进行仿真验证；依次级联与或分子组合逻辑门、与非或非分子组合逻辑门和异或同或分子组合逻辑门形成三级联分子组合逻辑电路；使用Visual DSD软件获得的三级联分子组合逻辑电路进行仿真分析。本发明验证了三级联分子组合逻辑电路的动力学行为，证明电路合理性；对于以后构建更复杂的逻辑运算电路提供了基本的理论基础，促进了生物计算机的发展，从而提高生物计算机逻辑电路的可靠性。

Description

一种基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法

技术领域

本发明涉及DNA链置换的技术领域，尤其涉及一种基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法。

背景技术

在当前快速发展的计算机时代，结合计算机和分子生物学科的DNA计算是一个新的研究领域。DNA作为一种新的计算工具已经解决了很多问题，比如旅行商NP问题以及最大团问题等。DNA自组装是DNA纳米技术的一个重要支撑技术，具有可预测性和可编程性的特点，在应用领域这两种特点在自组装方面都具有很好的发展前景。DNA链置换技术在生物计算领域也扮演着一种动态的DNA纳米技术。DNA链置换技术由于其本身具有的一系列自发性、灵敏性以及准确性的特点已经在DNA纳米机器、分子逻辑电路、DNA传感器、智能载药、疾病诊断及治疗等方面被广泛应用。近年来，生物计算机已被许多来自不同领域的科学家广泛关注，而且分子逻辑电路又是生物计算机的重要组成部分。因此，逻辑电路的构建方法在生物计算机中起着重要的作用。

DNA计算已经处理了大量的分子操作，如自组装、荧光标记、链置换和探针机等。DNA链置换技术是在DNA自组装技术的基础上发展起来的，因此，DNA自组装技术和DNA链置换技术是DNA纳米技术研究的两大重要支撑技术。DNA链置换技术非常适合于构建分子逻辑电路，在传统的电子逻辑电路中，高电平和低电压通常表示为布尔逻辑的“Ture”和“False”。基于链置换技术的级联反应已经实现了相邻逻辑模块的动态连接，并为研究人员构建大规模、复杂的逻辑电路成为可能。此外，DNA链置换技术凭借高容量信息积累、高性能并行计算、编程以及仿真的优势已经在分子计算、纳米机器、诊断和疾病治疗领域得到了深入的研究。DNA链置换技术在解决数学问题、管理纳米机器和讨论生命历程方面也具有很大的研究意义。另外，基于DNA链置换的生物化学逻辑电路的构建对设计程序的掌握也具有重要的研究意义。这种基于DNA链置换技术的策略在智能刺激响应材料、纳米电子电路和器件、生物传感器和纳米医学等领域具有很大的应用前景。

发明内容

针对现有DNA链置换技术不能实现级联分子组合电路的技术问题，本发明提出一种基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法，基于链置换的反应机制，构建三种分子组合逻辑门并级联形成三级联分子组合逻辑电路，通过Visual DSD仿真软件分析可以实现三级联分子组合逻辑电路的复杂动力学行为，对生物计算机的发展起到良好的推进作用。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法，其步骤如下：

步骤一：基于DNA链置换反应研究DNA链置换反应原理：具有小支点域的DNA单链与相匹配的DNA双链发生小支点域碱基互补配对反应，置换出输出链，小支点域碱基互补配对反应是可逆且可级联的；

步骤二：根据步骤一的DNA链置换反应原理，分别设计与或分子组合逻辑门、与非或非分子组合逻辑门和异或同或分子组合逻辑门；使用Visual DSD进行仿真验证与或分子组合逻辑门、与非或非分子组合逻辑门和异或同或分子组合逻辑门的性能；

步骤三：依次级联步骤二设计的与或分子组合逻辑门、与非或非分子组合逻辑门和异或同或分子组合逻辑门，形成三级联分子组合逻辑电路；

步骤四：使用Visual DSD软件对步骤三获得的三级联分子组合逻辑电路进行仿真分析，实现了相应的逻辑运算功能。

所述步骤三中与或分子组合逻辑门G_A/O级联与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO级联异或同或分子组合逻辑门G_X/XN，形成三级联分子组合逻辑电路；外部的输入信号R和输入信号S分别与与或分子组合逻辑门G_A/O的两个输入端相连接，与或分子组合逻辑门G_A/O的输出端和外部的输入信号X分别与与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO的两个输入端相连接，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO的输出端和外部的输入信号W分别与异或同或分子组合逻辑门G_X/XN的两个输入端相连接，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN的输出端输出输出信号Y。

所述与或分子组合逻辑门G_A/O、与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO和异或同或分子组合逻辑门G_X/XN上均设有控制端，与或分子组合逻辑门G_A/O的控制端与控制信号输入信号C₁/C₂相连接，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO的控制端与控制信号输入信号C₃/C₄相连接，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN的控制端与控制信号输入信号C₅/C₆相连接；当控制信号输入信号C₁正常工作时，与或分子组合逻辑门G_A/O执行与逻辑运算，当控制信号输入信号C₂正常工作时，与或分子组合逻辑门G_A/O执行或逻辑运算；当控制信号输入信号C₃正常工作时，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO执行与非逻辑运算，当控制信号输入信号C₄正常工作时，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO执行或非逻辑运算；当控制信号输入信号C₅正常工作时，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN执行异或逻辑运算，当控制信号输入信号C₆正常工作时，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN执行同或逻辑运算。

所述控制信号输入信号C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆共有十种不同的组合，三级联分子组合逻辑电路的输出信号存在十种不同的结构：当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“101010”时，实现Y＝(RST)'⊕W的逻辑运算功能，其中，'表示非门符号，⊕表示异或门符号；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“101001”时，实现Y＝(RST)'⊙W的逻辑运算功能，⊙表示同或门符号；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“100110”时，实现Y＝((RS)+T)'⊕W的逻辑运算功能；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“100101”时，实现Y＝((RS)+T)'⊙W的逻辑运算功能；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“010101”时，实现Y＝((R+S)+T)'⊙W的逻辑运算功能；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“010110”时，实现Y＝((R+S)+T)'⊕W的逻辑运算功能；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“011001”时，实现Y＝((R+S)T)'⊙W的逻辑运算功能；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“011010”时，实现Y＝((R+S)T)'⊕W的逻辑运算功能；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“000000”时，与或分子组合逻辑门G_A/O、与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO和异或同或分子组合逻辑门G_X/XN均不能正常工作，输出信号Y始终为“0”；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“111111”时，与或分子组合逻辑门G_A/O、与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO和异或同或分子组合逻辑门G_X/XN均正常工作，其输出信号Y始终为“1”。

所述或分子组合逻辑门G_A/O包括分别表示两个输入逻辑“0”和逻辑“1”的四个与门输入DNA单链、分别表示两个输入逻辑“0”和“1”的四个或门输入DNA单链、与门控制DNA单链、与门信号控制输入DNA双链、三个与门逻辑DNA双链、或门控制DNA单链、或门信号控制输入DNA双链和三个或门逻辑DNA双链，与门控制DNA单链与与门信号控制输入DNA双链具有相同的小支点结构域T，三个与门逻辑DNA双链分别与四个与门输入DNA单链和与门信号控制输入DNA双链相匹配，三个与门逻辑DNA双链与两个分别表示输出为逻辑“0”和逻辑“1”与门荧光报道门链相匹配；或门控制DNA单链与或门信号控制输入DNA双链具有相同的小支点结构域T，三个或门逻辑DNA双链分别与四个或门输入DNA单链和或门信号控制输入DNA双链相匹配，三个或门逻辑DNA双链与两个分别表示输出信号逻辑“0”和逻辑“1”的或门荧光报道门链相匹配。

所述或分子组合逻辑门G_A/O的四个与门输入DNA单链包括DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>、<s₃s₄ T^3 4>、<s₅ s₆ T^5 6>和<s₇ s₈ T^7 8>，DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₃ s₄ T^3 4>分别代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s₅ s₆ T^5 6>及<s₇ s₈ T^7 8>分别代表另一输入的逻辑“0”与逻辑“1”；与门控制DNA单链为DNA单链<T^11>，与门信号控制输入DNA双链为DNA双链{T^*}[11M^]<13>，三个与门逻辑DNA双链包括DNA双链{M^*}[13T^]:[34T^]:[78T^]<9>、{M^*}[13T^]:[1 2T^]<10>及{M^*}[13T^]:[5 6T^]<10>，两个与门荧光报道门链包括DNA报道门链{T^*}[9T^]<flour1>和{T^*}[10T^]<flour2>，与门荧光报道门链置换出来的DNA单链<9T^flour1>和<10T^flour2>分别表示或分子组合逻辑门G_A/O的与门输出的逻辑“1”和逻辑“0”；

四个或门输入DNA单链包括DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>、<sc₁ sd₂ T^c d>、<se₁ sf₂T^e f>和<sg₁ sh₂ T^g h>，DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>及<sc₁ sd₂ T^c d>分别代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<se₁ sf₂ T^e f>及<sg₁ sh₂ T^g h>分别代表另一输入的逻辑“0”与逻辑“1”；或门控制DNA单链为DNA单链<T^k>，或门信号控制输入DNA双链为DNA双链{T^*}[k N^]<m>，三个或门逻辑DNA双链包括DNA双链{N^*}[m T^]:[a b T^]:[e f T^]、{N^*}[m T^]:[c d T^]<j>及{N^*}[m T^]:[g h T^]<j>，或门荧光报道门链包括DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour3>及{T^*}[j T^]<flour4>，或门荧光报道门链置换出的输出信号为DNA单链和<j T^flour4>，DNA单链和<j T^flour4>分别代表或门输出的逻辑“0”和逻辑“1”；

其中，T为小支点结构域，T*为小支点结构域T的互补小支点结构域；M和N分别为分子组合逻辑门的两个使能控制域，M*是使能控制域M的互补使能控制域，N*是使能控制域N对应的互补使能控制域；^^表示小支点域，[]表示DNA双链结构域，{}表示DNA双链中的下链，<>表示DNA双链中的上链；s_1-8、1-8、9、10、11、13、sa₁、sb₂、sc₁、sd₂、se₁、sf₂、sg₁、sh₂、a-h、k、m、i、j均表示不同的分支迁移域；flour1、flour2、flour3和flour4均代表荧光链；

当与或分子组合逻辑门G_A/O只存在DNA单链<T^11>时，DNA单链<T^11>与DNA双链{T^*}[11M^]<13>发生链置换反应置换出DNA单链<11M^13>，DNA单链<11M^13>均与DNA双链{M^*}[13T^]:[3 4T^]:[7 8T^]<9>、{M^*}[13T^]:[1 2T^]<10>及{M^*}[13T^]:[56T^]<10>发生链置换反应，生成中间DNA双链<11>[M^13]{T^}:[3 4T^]:[7 8T^]<9>、<11>[M^13]{T^}:[1 2T^]<10>与<11>[M^13]{T^}:[5 6T^]<10>；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₅ s₆ T^5 6>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，输入DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₅ s₆ T^5 6>分别与DNA双链<11>[M^13]{T^}:[1 2T^]及<11>[M^13]{T^}:[5 6T^]<10>发生链置换反应置换出DNA单链<1 2T^10>和<5 6T^10>，DNA单链<5 6T^10>与DNA报道门链{T^*}[10T^]<flour2>发生链置换反应置换出DNA单链<10T^flour2>，代表输出为逻辑“0”；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₅ s₆ T^7 8>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>与DNA双链<11>[M^13]{T^}:[1 2T^]<10>发生链置换反应，置换出的DNA单链<1 2T^10>与DNA报道门链{T^*}[10T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<10T^flour2>，代表输出为逻辑“0”；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^3 4>和<s₅ s₆ T^5 6>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，DNA单链<s₅ s₆ T^5 6>与DNA双链<11>[M^13]{T^}:[5 6T^]<10>发生链置换反应，置换出的DNA单链<5 6T^10>与DNA报道门链{T^*}[10T^]<flour2>发生链置换反应置换出DNA单链<10T^flour2>，代表输出为逻辑“0”；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^3 4>和<s₅ s₆ T^7 8>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，DNA单链<s₅ s₆ T^7 8>与DNA双链<11>[M^13]{T^}:[3 4T^]:[7 8T^]<9>发生链置换反应，置换出的DNA单链<7 8T^9>与DNA报道门链{T^*}[9T^]<flour1>发生链置换反应置换出DNA单链<9T^flour1>，代表输出为逻辑“1”；

当与或分子组合逻辑门G_A/O只存在DNA单链<T^k>时，DNA单链<T^k>与DNA双链{T^*}[k N^]<m>发生链置换反应置换出DNA单链<k N^m>，DNA单链<k N^m>均与DNA双链{N^*}[m T^]:[a b T^]:[e f T^]、{N^*}[m T^]:[c d T^]<j>及{N^*}[m T^]:[g h T^]<j>发生链置换反应，生成中间DNA双链<k>[N^m]{T^}:[a b T^]:[e f T^]、<k>[N^m]{T^}:[c d T^]<j>及<k>[N^m]{T^}:[g h T^]<j>；

当输入DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>和<se₁ sf₂ T^e f>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，DNA单链<se₁ sf₂ T^e f>与DNA双链<k>[N^m]{T^}:[a b T^]:[e f T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<e f T^i>与DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour3>发生链置换反应置换出DNA单链，代表输出逻辑“0”；

当输入DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>和<sg₁ sh₂ T^g h>时，代表两个输入信号为逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<sg₁ sh₂ T^g h>与DNA双链<k>[N^m]{T^}:[g h T^]<j>发生链置换反应，置换出的DNA单链<g h T^j>与DNA报道门链{T^*}[j T^]<flour4>发生链置换反应，置换出的DNA单链<j T^flour4>代表输出为逻辑“1”；

当输入DNA单链<sc₁ sd₂ T^c d>和<se₁ sf₂ T^e f>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，DNA单链<sc₁ sd₂ T^c d>与DNA双链<k>[N^m]{T^}:[c d T^]<j>发生链置换反应，置换出的DNA单链<c d T^j>与DNA报道门链{T^*}[j T^]<flour4>发生链置换反应，置换出的DNA单链<j T^flour4>代表输出为逻辑“1”；

当输入DNA单链<sc₁ sd₂ T^c d>和<sg₁ sh₂ T^g h>时，代表两个输入信号为逻辑“1”与逻辑“1”，输入DNA单链<sc₁ sd₂ T^c d>和<sg₁ sh₂ T^g h>分别与DNA双链<k>[N^m]{T^}:[c d T^]<j>和<k>[N^m]{T^}:[g h T^]<j>发生链置换反应，置换出的DNA单链<c dT^j>和<g h T^j>与DNA报道门链{T^*}[j T^]<flour4>发生链置换反应，置换出的DNA单链<j T^flour4>代表输出为逻辑“1”。

所述与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO包括分别表示两个输入逻辑“0”和逻辑“1”的四个与非门输入DNA单链、分别表示两个输入逻辑“0”和“1”的四个或非门输入DNA单链、与非门控制DNA单链、与非门信号控制输入DNA双链、三个与非门逻辑DNA双链、或非门控制DNA单链、或非门信号控制输入DNA双链和三个或非门逻辑DNA双链，与非门控制DNA单链与与非门信号控制输入DNA双链具有相同的小支点结构域T，三个与非门逻辑DNA双链分别与四个与非门输入DNA单链和与非门信号控制输入DNA双链相匹配，三个与非门逻辑DNA双链与两个分别表示输出为逻辑“0”和逻辑“1”的与非门荧光报道门链相匹配；或非门控制DNA单链与或非门信号控制输入DNA双链具有相同的小支点结构域T，三个或非门逻辑DNA双链分别与四个或非门输入DNA单链和或非门信号控制输入DNA双链相匹配，三个或非门逻辑DNA双链与两个分别表示输出为逻辑“0”和逻辑“1”的或非门荧光报道门链相匹配。

所述与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO的四个与非门输入DNA单链包括DNA单链<s₁s₂T^1 2>、<s₃ s₄ T^3 4>、<s₅ s₆ T^5 6>、<s₇ s₈ T^7 8>是与非门的输入信号，其中，DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>及<s₃ s₄ T^3 4>分别代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s₅ s₆T^56>及<s₇ s₈ T^7 8>分别代表另一输入的逻辑“0”与逻辑“1”；与非门控制DNA单链为DNA单链<T^11>，与非门信号控制输入DNA双链为DNA双链{T^*}[11M^]<12>，三个与非门逻辑DNA双链包括DNA双链{M^*}[12T^]:[3 4T^]:[7 8T^]<9>、{M^*}[12T^]:[1 2T^]<10>及{M^*}[12T^]:[5 6T^]<10>；两个与非门荧光报道门链包括DNA报道门链{T^*}[9T^]<flour1>、{T^*}[10T^]<flour2>，DNA报道门链{T^*}[9T^]<flour1>、{T^*}[10T^]<flour2>置换出的DNA单链<9T flour1>和<10T flour2>分别代表与非门输出的逻辑“0”和逻辑“1”；

四个或非门输入DNA单链包括DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>、<sc₁ sd₂ T^c d>、<se₁sf₂ T^e f>、<sg₁ sh₂ T^g h>是或非门的输入信号，其中，DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>及<sc₁sd₂ T^c d>代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<se₁ sf₂ T^e f>及<sg₁ sh₂ T^g h>代表另一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”；或非门控制DNA单链为DNA单链<T^j>，或非门信号控制输入DNA双链为DNA双链{T^*}[j N^]<k>，三个或非门逻辑DNA双链包括DNA双链{N^*}[k T^]:[a b T^]:[e f T^]、{N^*}[k T^]:[c d T^]及{N^*}[k T^]:[g h T^]，两个或非门逻辑DNA双链包括DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour3>及{T^*}[j T^]<flour4>，置换出来的输出信号为DNA单链和<j T^flour4>分别代表或非门输出的逻辑“1”和“0”；

其中，T为小支点结构域，T*为小支点结构域T的互补小支点结构域，M及N为不同的使能控制域，M*是使能控制域M的互补使能控制域，N*是使能控制域N对应的互补使能控制域；^表示小支点域，[]表示DNA双链结构域，{}表示DNA双链中的下链，<>表示DNA双链中的上链；s_1-8、1-8、9、10、11、12、sa₁、sb₂、sc₁、sd₂、se₁、sf₂、sg₁、sh₂、a-h、k、m、i、j均表示不同的分支迁移域；flour1、flour2、flour3和flour4均代表荧光链；

当与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO只存在DNA单链<T^11>时，DNA单链<T^11>与DNA双链{T^*}[11M^]<12>发生链置换反应置换出DNA单链<11M^12>，DNA单链<11M^12>均与DNA双链{M^*}[12T^]:[3 4T^]:[7 8T^]<9>、{M^*}[12T^]:[1 2T^]<10>及{M^*}[12T^]:[5 6T^]<10>发生链置换反应，分别生成中间DNA双链<11>[M^12]{T^}:[3 4T^]:[7 8T^]<9>、<11>[M^12]{T^}:[1 2T^]<10>与<11>[M^12]{T^}:[5 6T^]<10>；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₅ s₆ T^5 6>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₅ s₆ T^5 6>分别与DNA双链<11>[M^12]{T^}:[12T^]<10>及<11>[M^12]{T^}:[5 6T^]<10>发生链置换反应，置换出的DNA单链<1 2T^10>和<5 6T^10>均与DNA报道门链{T^*}[10T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<10T^flour2>代表输出为逻辑“1”；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₅ s₆ T^7 8>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>与DNA双链<11>[M^12]{T^}:[1 2T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<1 2T^10>与DNA报道门链{T^*}[10T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<10T^flour2>代表输出为逻辑“1”；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^3 4>和<s₅ s₆ T^5 6>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，DNA单链<s₅ s₆ T^5 6>与DNA双链<11>[M^12]{T^}:[5 6T^]<10>发生链置换反应，置换出的DNA单链<5 6T^10>与DNA报道门链{T^*}[10T^]<flour2>发生链置换反应，置换出的DNA单链<10T^flour2>代表输出为逻辑“1”；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^3 4>和<s₅ s₆ T^7 8>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，DNA单链<s₅ s₆ T^7 8>与DNA双链<11>[M^12]{T^}:[3 4T^]:[7 8T^]<9>发生链置换反应，置换出的DNA单链<7 8T^9>与DNA报道门链{T^*}[9T^]<flour1>发生链置换反应，置换出的DNA单链<9T^flour1>代表输出为逻辑“0”；

当与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO只存在DNA单链<T^j>时，DNA单链<T^j>与DNA双链{T^*}[j N^]<k>发生链置换反应，置换出DNA单链<j N^k>，DNA单链<j N^k>均与DNA双链{N^*}[k T^]:[a b T^]:[e f T^]<h>、{N^*}[k T^]:[c d T^]及{N^*}[k T^]:[g h T^]发生链置换反应，分别生成中间DNA双链<j>[N^k]{T^}:[a b T^]:[e f T^]<h>、<j>[N^k]{T^}:[c d T^]及<j>[N^k]{T^}:[g h T^]；

当输入DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>和<se₁ sf₂ T^e f>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，DNA单链<se₁ sf₂ T^e f>与DNA双链<j>[N^k]{T^}:[a b T^]:[e f T^]<h>发生链置换反应，置换出的DNA单链<e f T^h>与DNA报道门链{T^*}[h T^]<flour3>发生链置换反应，置换出的DNA单链<h T^flour3>代表输出为逻辑“1”；

当输入DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>和<sg₁ sh₂ T^g h>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<sg₁ sh₂ T^g h>与DNA双链<j>[N^k]{T^}:[g h T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<g h T^i>与DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour4>发生链置换反应，置换出的DNA单链代表输出为逻辑“0”；

当输入DNA单链<sc₁ sd₂ T^c d>和<se₁ sf₂ T^e f>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，DNA单链<sc₁ sd₂ T^c d>与DNA双链<j>[N^k]{T^}:[c d T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<c d T^i>与DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour4>发生链置换反应，置换出的DNA单链代表输出为逻辑“0”；

当输入DNA单链<sc₁ sd₂ T^c d>和<sg₁ sh₂ T^g h>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，DNA单链<sc₁ sd₂ T^c d>和<sg₁ sh₂ T^g h>分别与DNA双链<j>[N^k]{T^}:[c d T^]和<j>[N^k]{T^}:[g h T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<c dT^i>和<g h T^i>均与DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour4>发生链置换反应，置换出的DNA单链代表输出为逻辑“0”。

所述异或同或分子组合逻辑门G_X/XN包括分别表示两个输入逻辑“0”和逻辑“1”的四个异或门输入DNA单链、分别表示两个输入逻辑“0”和“1”的四个同或门输入DNA单链、异或门控制DNA单链、异或门信号控制输入DNA双链、两个异或门逻辑DNA双链、同或门控制DNA单链、同或门信号控制输入DNA双链和两个同或门逻辑DNA双链，异或门控制DNA单链与异或门信号控制输入DNA双链具有相同的小支点结构域T，两个异或门逻辑DNA双链分别与四个异或门输入DNA单链和异或门信号控制输入DNA双链相匹配，两个异或门逻辑DNA双链与异或门荧光报道门链相匹配；同或门控制DNA单链与同或门信号控制输入DNA双链具有相同的小支点结构域T，两个同或门逻辑DNA双链分别与四个同或门输入DNA单链和同或门信号控制输入DNA双链相匹配，两个同或门逻辑DNA双链与同或门荧光报道门链相匹配。

所述异或同或分子组合逻辑门G_X/XN的四个异或门输入DNA单链包括DNA单链<s₁ s₂T^1 2>、<s₃ s₄ T^3 4>、<s₅ s₆ T^5 6>、<s₇ s₈ T^7 8>，DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>及<s₃ s₄ T^3 4>分别代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s₅ s₆ T^5 6>及<s₇ s₈ T^7 8>分别代表另一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”；异或门控制DNA单链为DNA单链<T^10>，异或门信号控制输入DNA双链为DNA双链{T^*}[10M^]<11>，两个异或门逻辑DNA双链包括DNA双链{M^*}[11T^]:[1 2T^]:[7 8T^]<12>及{M^*}[11T^]:[3 4T^]:[5 6T^]<12>；异或门荧光报道门链为DNA双链{T^*}[12T^]<flour1>，异或门的输出为DNA单链<12T^flour1>，DNA单链<12T^flour1>存在代表逻辑“1”，不存在代表逻辑“0”；

四个同或门输入DNA单链包括DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>、<sc₁ sd₂ T^c d>、<se₁sf₂ T^e f>、<sg₁ sh₂ T^g h>，其中，DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>及<sc₁ sd₂ T^c d>代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<se₁ sf₂ T^e f>及<sg₁ sh₂ T^g h>代表另一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”；同或门控制DNA单链为DNA单链<T^j>，同或门信号控制输入DNA双链为DNA双链{T^*}[j N^]<k>，两个同或门逻辑DNA双链包括DNA双链{N^*}[k T^]:[a b T^]:[ef T^]<l>及{N^*}[k T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>，同或门荧光报道门链为DNA双链{T^*}[lT^]<flour2>，同或门的输出信号为DNA单链<l T^flour2>，DNA单链<l T^flour2>存在代表逻辑“1”，不存在代表逻辑“0”；

其中，T为小支点结构域，T*为小支点结构域T的互补小支点结构域，M及N为不同的使能控制域，M*是使能控制域M的互补使能控制域，N*是使能控制域N对应的互补使能控制域；^表示小支点域，[]表示DNA双链结构域，{}表示DNA双链中的下链，<>表示DNA双链中的上链；s_1-8、1-8、10、11、12、sa₁、sb₂、sc₁、sd₂、se₁、sf₂、sg₁、sh₂、a-h、k、m、j、l均表示不同的分支迁移域；flour1和flour2均代表荧光链；

当异或同或分子组合逻辑门G_X/XN只存在DNA单链<T^10>时，DNA单链<T^10>与DNA双链{T^*}[10M^]<11>发生链置换反应，置换出DNA单链<10M^11>，DNA单链<10M^11>均与DNA双链{M^*}[11T^]:[1 2T^]:[7 8T^]<12>及{M^*}[11T^]:[3 4T^]:[5 6T^]<12>发生链置换反应，分别生成中间DNA双链<10>[M^*11]{T^*}:[1 2T^]:[7 8T^]<12>与<10>[M^*11]{T^*}:[3 4T^]:[5 6T^]<12>；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₅ s₆ T^5 6>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₅ s₆ T^5 6>均不能与DNA双链<10>[M^*11]{T^*}:[1 2T^]:[7 8T^]<12>与<10>[M^*11]{T^*}:[3 4T^]:[5 6T^]<12>发生链置换反应，因此反应中不存在DNA单链<12T^flour1>，异或门运算结果为逻辑“0”；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₇ s₈ T^7 8>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s₇ s₈ T^7 8>与DNA双链{M^*}[11T^]:[1 2T^]:[7 8T^]<12>发生链置换反应，置换出的DNA单链<7 8T^12>与DNA双链{T^*}[12T^]<flour1>发生链置换反应置换出DNA单链<12T^flour1>，表示运算结果为逻辑“1”；

当输入DNA单链<s₃ s₄ T^3 4>和<s₅ s₆ T^5 6>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，DNA单链<s₅ s₆ T^5 6>与DNA双链{M^*}[11T^]:[3 4T^]:[5 6T^]<12>发生链置换反应，置换出的DNA单链<5 6T^12>与DNA双链{T^*}[12T^]<flour1>发生链置换反应置换出的DNA单链<12T^flour1>，表示运算结果为逻辑“1”；

当输入DNA单链<s₃ s₄ T^3 4>和<s₇ s₈ T^7 8>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，DNA单链均<s₃ s₄ T^3 4>和<s₇ s₈ T^7 8>不能与DNA双链<10>[M^*11]{T^*}:[1 2T^]:[7 8T^]<12>与<10>[M^*11]{T^*}:[3 4T^]:[5 6T^]<12>发生链置换反应，因此反应中不存在DNA单链<12T^flour1>，运算结果为逻辑“0”；

当异或同或分子组合逻辑门G_X/XN只存在DNA单链<T^j>时，DNA单链<T^j>与DNA双链{T^*}[j N^]<k>发生链置换反应置换出DNA单链<j N^k>，DNA单链<j N^k>均与DNA双链{N^*}[k T^]:[a b T^]:[e f T^]<l>及{N^*}[k T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>发生链置换反应，分别生成中间的DNA双链<j>[N^*k]{T^]:[a b T^]:[e f T^]<l>及<j>[N^*k]{T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>；

当输入DNA单链<s_a s_b T^a b>和<s_e s_f T^e f>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，DNA单链<s_e s_f T^e f>与DNA双链<j>[N^*k]{T^]:[a b T^]:[e f T^]<l>发生链置换反应，置换出的DNA单链<e f T^l>与DNA双链{T^*}[l T^]<flour2>发生链置换反应，置换出的DNA单链<l T^flour2>，代表运算结果为逻辑“1”；

当输入DNA单链<s_a s_b T^a b>和<s_g s_h T^g h>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s_a s_b T^a b>和<s_g s_h T^g h>均不能与DNA双链DNA双链<j>[N^*k]{T^]:[a b T^]:[e f T^]<l>及<j>[N^*k]{T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>发生链置换反应，因此反应中不存在DNA单链<l T^flour2>，运算结果为逻辑“0”；

当输入DNA单链<s_e s_f T^e f>和<s_c s_d T^c d>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，DNA单链<s_e s_f T^e f>和<s_c s_d T^c d>均不能与DNA双链<j>[N^*k]{T^]:[a b T^]:[e f T^]<l>及<j>[N^*k]{T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>发生链置换反应，因此反应中不存在DNA单链<l T^flour2>，运算结果为逻辑“0”；

当输入DNA单链<s_c s_d T^c d>和<s_g s_h T^g h>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，DNA单链<s_g s_h T^g h>与DNA双链<j>[N^*k]{T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>发生链置换反应，置换出的DNA单链<g h T^l>与DNA双链{T^*}[l T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<l T^flour2>，代表运算结果为逻辑“1”。

本发明的有益效果：基于DNA链置换的反应机制，构建实现与或、与非或非、异或同或的六种逻辑运算功能的三种分子组合逻辑门，然后运用设计的三种分子组合逻辑门级联构建三级联分子组合逻辑电路，设计的三级联分子组合逻辑电路能够实现十种不同的组合逻辑运算，通过Visual DSD仿真软件验证三种分子组合逻辑门和三级联分子组合逻辑电路的输出结果，分析它们的复杂动力学行为，并验证了三级联分子组合逻辑电路的动力学行为，仿真结果证明电路的合理性及有效性。本发明对于以后构建更复杂的逻辑运算电路提供了基本的理论基础，促进了生物计算机的发展，从而提高生物计算机逻辑电路的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明DNA链置换置换反应机制的示意图。

图2为本发明的与或分子组合逻辑门的链置换反应的原理图，其中，(a)为与门的输入信号，(b)为或门的输入信号，(c)为与门的控制链、控制输入链和逻辑功能链，(d)为或门的控制链、控制输入链和逻辑功能链，(e)为与门的DNA荧光报道门链，(f)为或门的DNA荧光报道门链。

图3为本发明的与或分子组合逻辑门的仿真图。

图4为本发明的与非或非分子组合逻辑门的链置换反应的原理图，其中，(a)为与非门的输入信号，(b)为或非门的输入信号，(c)为与非门的控制链、控制输入链和逻辑功能链，(d)为或非门的控制链、控制输入链和逻辑功能链，(e)为与非门的DNA荧光报道门链，(f)为或非门的DNA荧光报道门链。

图5为本发明的与非或非分子组合逻辑门的仿真图。

图6为本发明的异或同或分子组合逻辑门的链置换反应的原理图，其中，(a)为异或门的输入信号，(b)为同或门的输入信号，(c)为异或门的控制链、控制输入链和逻辑功能链，(d)为或非门的控制链、控制输入链和逻辑功能链，(e)为异或门的DNA荧光报道门链，(f)为同或门的DNA荧光报道门链。

图7为本发明的异或同或分子组合逻辑门的仿真图。

图8为本发明三级联分子组合逻辑电路的抽象图。

图9为本发明图8的仿真图，其中，(a)为(RST)'⊕W，(b)为(RST)'⊙W，(c)为((RS)+T)'⊕W，(d)为((RS)+T)'⊙W，(e)为((R+S)+T)'⊙W，(f)为((R+S)+T)'⊕W，(g)为((R+S)T)'⊙W，(h)为((R+S)T)'⊕W。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法，其步骤如下：

步骤一：基于DNA链置换反应研究DNA链置换反应原理：具有小支点域的DNA单链与相匹配的DNA双链发生小支点域碱基互补配对反应，置换出输出链，小支点域碱基互补配对反应是可逆且可级联的。

DNA链置换的反应动力来源于碱基互补配对间分子作用力，DNA链置换反应可在没有酶或转录机制的常温下自发且可级联实现。如图1所示，入侵的DNA单链<T^S₁>与DNA双链{T^*}[S₁ T^]发生小支点域碱基互补配对反应，置换出DNA单链输出信号<S₁ T^>，该DNA单链<S₁ T^>可作为下一级链置换反应的输入信号，与DNA双链[T^S₂ S₁]{T^*}发生小支点碱基互补配对反应，置换出DNA单链输出信号<T^S₂ S₁>，该DNA单链<T^S₂ S₁>也可作为下一级链置换反应的输入信号。DNA单链<T^S₁>是上游输入链，DNA双链{T^*}[S₁ T^]是上游复合双链DNA，DNA单链<S₁ T^>是上游输出链。上游输出链<S₁ T^>可作为下游反应的输入链，与下游复合双链[T*][S₂ S₁]{T^*}反应，释放出下游输出链<T^S₂ S₁>，且一旦初始的DNA物种被混合在一起时，开始自发地进行DNA链置换反应，具有小支点域的输入链与双链DNA进行反应，置换出输出链，反应是可逆且可级联的。其中，T是小支点结构域，T*是小支点结构域T的沃森克里克互补域，S₁和S₂表示分支迁移域、^表示小支点域，[]表示DNA双链结构域，{}表示DNA双链中的下链，<>表示DNA双链中的上链。

步骤二：根据步骤一的DNA链置换反应原理，分别设计与或分子组合逻辑门、与非或非分子组合逻辑门和异或同或分子组合逻辑门；使用Visual DSD进行仿真验证与或分子组合逻辑门、与非或非分子组合逻辑门和异或同或分子组合逻辑门的性能。

与或分子组合逻辑门的设计方案如图2所示，图2中域T为小支点结构域，T*为小支点结构域T的互补小支点结构域。域M及域N分别为与或分子组合逻辑门的使能控制域，M*及N*分别为使能控制域M及N对应的互补使能控制域，其他域都是分支迁移域。DNA单链<s₁ s₂T^1 2>、<s₃ s₄ T^3 4>、<s₅ s₆ T^5 6>和<s₇ s₈ T^7 8>是与或分子组合逻辑门G_A/O中与门的输入信号，其中，DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>及<s₃ s₄ T^3 4>分别代表输入I的逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s₅ s₆ T^5 6>及<s₇ s₈ T^7 8>分别代表输入II的逻辑“0”与逻辑“1”。DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>、<sc₁ sd₂ T^c d>、<se₁ sf₂ T^e f>和<sg₁ sh₂ T^g h>是与或分子组合逻辑门G_A/O中或门的输入信号，其中，DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>及<sc₁ sd₂ T^c d>分别代表输入I的逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<se₁ sf₂ T^e f>及<sg₁ sh₂ T^g h>分别代表输入II的逻辑“0”与逻辑“1”。其中，s_1-8、1-8、sa₁、sb₂、sc₁、sd₂、se₁、sf₂、sg₁、sh₂、a-h分别表示分别表示不同的分支迁移域，名字可以任意定。DNA单链<T^11>是控制与或分子组合逻辑门G_A/O中与门正常工作的控制链，DNA双链{T^*}[11M^]<13>是与或分子组合逻辑门与门信号控制输入链，{T^*}[11M^]<13>使与门输入信号发挥功能。DNA双链{M^*}[13T^]:[34T^]:[78T^]<9>、{M^*}[13T^]:[1 2T^]<10>及{M^*}[13T^]:[5 6T^]<10>实现与门逻辑功能。其中，9、10、11、13分别表示不同的分支迁移域。DNA单链<T^k>是控制与或分子组合逻辑门G_A/O或门正常工作的控制链，DNA双链{T^*}[k N^]<m>是与或组合逻辑门或门的信号控制输入链，{T^*}[k N^]<m>使或门输入信号发挥功能。DNA双链{N^*}[m T^]:[a b T^]:[e f T^]、{N^*}[m T^]:[c d T^]<j>及{N^*}[m T^]:[g h T^]<j>实现或门逻辑功能。其中，k、m、i、j分别表示不同的分支迁移域。DNA双链{T^*}[9T^]<flour1>、{T^*}[10T^]<flour2>代表与门的荧光报道门链，则其与门的输出信号为DNA单链<9T^flour1>和<10T^flour2>分别命名为Oa11与Oa12，其中，Oa11代表逻辑“1”，Oa12代表逻辑“0”。DNA双链{T^*}[i T^]<flour3>及{T^*}[j T^]<flour4>代表或门的荧光报道门链，则其或门的输出信号为DNA单链和<j T^flour4>分别将其命名为Oa21与Oa22，其中，Oa21代表逻辑“0”，Oa22代表逻辑“1”。其中，flour1、flour2、flour3及flour4代表荧光链。图2中，当与或分子组合逻辑门G_A/O只存在DNA单链<T^11>时，与DNA双链{T^*}[11M^]<13>发生链置换反应，置换出DNA单链<11M^13>，与或分子组合逻辑门执行与运算操作。DNA单链<11M^13>均与DNA双链{M^*}[13T^]:[3 4T^]:[7 8T^]<9>、{M^*}[13T^]:[1 2T^]<10>及{M^*}[13T^]:[5 6T^]<10>发生链置换反应，生成中间DNA双链<11>[M^13]{T^}:[3 4T^]:[7 8T^]<9>、<11>[M^13]{T^}:[12T^]<10>与<11>[M^13]{T^}:[5 6T^]<10>。当输入DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₅ s₆T^5 6>时，代表输入I和输入II的输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，分别与DNA双链<11>[M^13]{T^}:[1 2T^]及<11>[M^13]{T^}:[5 6T^]<10>发生链置换反应，置换出DNA单链<1 2T^10>和<5 6T^10>，DNA单链<5 6T^10>与DNA报道门链{T^*}[10T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<10T^flour2>其代表输出信号为逻辑“0”。当输入DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₅s₆ T^7 8>时，代表输入I和输入II的输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，与DNA双链<11>[M^13]{T^}:[1 2T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<1 2T^10>与DNA报道门链{T^*}[10T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<10T^flour2>其代表输出信号为逻辑“0”。当输入DNA单链<s₁ s₂ T^3 4>和<s₅ s₆ T^5 6>时，代表输入I和输入II的输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，与DNA双链<11>[M^13]{T^}:[5 6T^]<10>发生链置换反应，置换出的DNA单链<1 2T^10>与DNA报道门链{T^*}[10T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<10T^flour2>其代表输出信号为逻辑“0”。当输入DNA单链<s₁ s₂T^3 4>和<s₅ s₆ T^7 8>时，代表两个输入I和输入II的输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，与DNA双链<11>[M^13]{T^}:[3 4T^]:[7 8T^]<9>发生链置换反应，置换出的DNA单链<7 8T^9>与DNA报道门链{T^*}[9T^]<flour1>发生链置换反应，置换出DNA单链<9T^flour1>其代表输出信号为逻辑“1”。图2中，当与或分子组合逻辑门G_A/O只存在DNA单链<T^k>时，与DNA双链{T^*}[k N^]<m>发生链置换反应，置换出DNA单链<k N^m>，与或分子组合逻辑门G_A/O执行或运算操作。DNA单链<k N^m>均与DNA双链{N^*}[m T^]:[a b T^]:[e f T^]、{N^*}[m T^]:[c d T^]<j>及{N^*}[m T^]:[g h T^]<j>发生链置换反应，生成中间DNA双链<k>[N^m]{T^}:[a b T^]:[e f T^]、<k>[N^m]{T^}:[c d T^]<j>及<k>[N^m]{T^}:[g h T^]<j>。当输入DNA单链<sa₁ sb₂T^a b>和<se₁ sf₂ T^e f>时，代表其输入I和输入II的输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，与DNA双链<k>[N^m]{T^}:[a b T^]:[e f T^]发生链置换反应，置换出DNA单链<e f T^i>与DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour3>发生链置换反应，置换出DNA单链其代表逻辑“0”。当输入DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>和<sg₁ sh₂ T^g h>时，代表输入I和输入II的输入信号为逻辑“0”与逻辑“1”，与DNA双链<k>[N^m]{T^}:[g h T^]<j>发生链置换反应，置换出的DNA单链<g h T^j>与DNA报道门链{T^*}[j T^]<flour4>发生链置换反应，置换出DNA单链<j T^flour4>其代表输出信号为逻辑“1”。当输入DNA单链<sc₁ sd₂ T^c d>和<se₁sf₂ T^e f>时，代表输入I和输入II的输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，与DNA双链<k>[N^m]{T^}:[c d T^]<j>发生链置换反应，置换出的DNA单链<c d T^j>与DNA报道门链{T^*}[j T^]<flour4>发生链置换反应，置换出DNA单链<j T^flour4>其代表逻辑“1”。当输入DNA单链<sc₁ sd₂ T^c d>和<sg₁ sh₂ T^g h>时，代表输入I和输入II的输入信号为逻辑“1”与逻辑“1”，与DNA双链<k>[N^m]{T^}:[c d T^]<j>和<k>[N^m]{T^}:[g h T^]<j>发生链置换反应，置换出的DNA单链<c d T^j>和<g h T^j>与DNA报道门链{T^*}[j T^]<flour4>发生链置换反应，置换出DNA单链<j T^flour4>其代表输出信号为逻辑“1”。当同时不存在DNA单链<T^11>和<T^k>时，与或分子组合逻辑门不能正常工作。当同时存在DNA单链<T^11>和<T^k>时，与或分子组合逻辑门G_A/O正常工作，同时执行与运算和或运算，其运算过程如上与或分子组合逻辑门G_A/O分别执行与运算和或运算时一致。与或分子组合逻辑门G_A/O使用VisualDSD进行仿真分析，其仿真图如图3所示，通过图3可知其实现了与或组合逻辑功能。

与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO的设计方案如图4所示，图4中域T为小支点结构域，T*为小支点结构域T的互补小支点结构域。域M及域N分别为与非或非分子组合逻辑门的使能控制域，M*及N*分别为使能控制域M及N对应的互补使能控制域，其他域都是分支迁移域。DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>、<s₃ s₄ T^3 4>、<s₅ s₆ T^5 6>、<s₇ s₈ T^7 8>是与非门的输入信号，其中，<s₁ s₂ T^1 2>及<s₃ s₄ T^3 4>分别代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，<s₅ s₆ T^5 6>及<s₇ s₈ T^7 8>分别代表另一输入的逻辑“0”与逻辑“1”。DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>、<sc₁ sd₂ T^c d>、<se₁ sf₂ T^e f>、<sg₁ sh₂ T^g h>是或非门的输入信号，其中，<sa₁ sb₂T^a b>及<sc₁ sd₂ T^c d>代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，<se₁ sf₂ T^e f>及<sg₁ sh₂T^g h>代表另一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”。DNA单链<T^11>是控制与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO的与非门正常工作的控制链，DNA双链{T^*}[11M^]<12>是与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO的与非门的信号控制输入链，DNA双链{T^*}[11M^]<12>使与非门输入信号发挥功能。DNA双链{M^*}[12T^]:[3 4T^]:[7 8T^]<9>、{M^*}[12T^]:[1 2T^]<10>及{M^*}[12T^]:[5 6T^]<10>实现与非门逻辑功能。DNA单链<T^j>是控制与非或非分子组合逻辑门的或非门正常工作的控制链，DNA双链{T^*}[j N^]<k>是与非或非组合逻辑门或非门的信号控制输入链，{T^*}[j N^]<k>使或非门输入信号发挥功能。DNA双链{N^*}[k T^]:[a b T^]:[e f T^]、{N^*}[k T^]:[c d T^]及{N^*}[k T^]:[g h T^]实现或非门逻辑功能。其中，9、10、11、12、k分别表示不同的分支迁移域。DNA双链{T^*}[9T^]<flour1>、{T^*}[10T^]<flour2>代表与非门的荧光报道门链，则其与非门的输出信号为DNA单链<9Tflour1>和<10T flour2>分别将它们命名为Oa11与Oa12，其中，Oa11代表逻辑“0”，Oa12代表逻辑“1”。DNA双链{T^*}[i T^]<flour3>及{T^*}[j T^]<flour4>代表或非门的荧光报道门链，则其或非门的输出信号为DNA单链和<j T^flour4>分别将其命名为Oa21与Oa22，其中，Oa21代表逻辑“1”，Oa22代表逻辑“0”。其中，flour1、flour2、flour3及flour4代表荧光链。图4中，当与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO只存在DNA单链<T^11>时，与DNA双链{T^*}[11M^]<12>发生链置换反应，置换出DNA单链<11M^12>，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO执行与非运算操作。DNA单链<11M^12>均与DNA双链{M^*}[12T^]:[3 4T^]:[7 8T^]<9>、{M^*}[12T^]:[12T^]<10>及{M^*}[12T^]:[5 6T^]<10>发生链置换反应，生成中间DNA双链<11>[M^12]{T^}:[3 4T^]:[7 8T^]<9>、<11>[M^12]{T^}:[1 2T^]<10>与<11>[M^12]{T^}:[5 6T^]<10>。当输入DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₅ s₆ T^5 6>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，分别与DNA双链<11>[M^12]{T^}:[1 2T^]及<11>[M^12]{T^}:[56T^]<10>发生链置换反应，置换出的DNA单链<1 2T^10>和<5 6T^10>与DNA报道门链{T^*}[10T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<10T^flour2>其代表输出信号为逻辑“1”。当输入DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₅ s₆ T^7 8>时，代表其两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，与DNA双链<11>[M^12]{T^}:[1 2T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<12T^10>与DNA报道门链{T^*}[10T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<10T^flour2>其代表输出信号为逻辑“1”。当输入DNA单链<s₁ s₂ T^3 4>和<s₅ s₆ T^5 6>时，代表其两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，与DNA双链<11>[M^12]{T^}:[5 6T^]<10>发生链置换反应，置换出的DNA单链<1 2T^10>与DNA报道门链{T^*}[10T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<10T^flour2>其代表输出信号为逻辑“1”。当输入DNA单链<s₁ s₂ T^3 4>和<s₅ s₆ T^7 8>时，代表其两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，与DNA双链<11>[M^12]{T^}:[3 4T^]:[78T^]<9>发生链置换反应，置换出的DNA单链<7 8T^9>与DNA报道门链{T^*}[9T^]<flour1>发生链置换反应，置换出DNA单链<9T^flour1>其代表输出信号为逻辑“0”。图4中，当与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO只存在DNA单链<T^j>时，与DNA双链{T^*}[j N^]<k>发生链置换反应，置换出DNA单链<j N^k>，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO执行或非运算操作。DNA单链<j N^k>均与DNA双链{N^*}[k T^]:[a b T^]:[e f T^]<h>、{N^*}[k T^]:[c d T^]及{N^*}[k T^]:[g h T^]发生链置换反应，生成中间DNA双链<j>[N^k]{T^}:[a b T^]:[e f T^]<h>、<j>[N^k]{T^}:[c d T^]及<j>[N^k]{T^}:[g h T^]。当输入DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>和<se₁ sf₂ T^e f>时，代表其两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，与DNA双链<j>[N^k]{T^}:[a b T^]:[e f T^]<h>发生链置换反应，置换出的DNA单链<e f T^h>与DNA报道门链{T^*}[h T^]<flour3>发生链置换反应，置换出DNA单链<h T^flour3>其代表输出信号为逻辑“1”。当输入DNA单链<sa₁ sb₂ T^a b>和<sg₁ sh₂ T^gh>时，代表其两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，与DNA双链<j>[N^k]{T^}:[g h T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<g h T^i>与DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour4>发生链置换反应，置换出DNA单链其代表输出信号为逻辑“0”。当输入DNA单链<sc₁sd₂ T^c d>和<se₁ sf₂ T^e f>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，与DNA双链<j>[N^k]{T^}:[c d T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<c d T^i>与DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour4>发生链置换反应，置换出DNA单链其代表输出信号为逻辑“0”。当输入DNA单链<sc₁ sd₂ T^c d>和<sg₁ sh₂ T^g h>时，代表其两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，与DNA双链<j>[N^k]{T^}:[c d T^]和<j>[N^k]{T^}:[g h T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<c d T^i>和<g h T^i>均与DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour4>发生链置换反应，置换出DNA单链其代表输出信号为逻辑“0”。当同时不存在DNA单链<T^11>和<T^j>时，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO不能正常工作。当同时存在DNA单链<T^11>和<T^j>时，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO正常工作，同时执行与非运算及或非运算，其运算过程如上与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO分别执行与非运算和或非运算时一致。与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO使用Visual DSD进行仿真分析，其仿真图如图5所示。

异或同或分子组合逻辑门G_X/XN的设计方案如图6所示，图6中域T为小支点结构域，T*为其互补小支点结构域。域M及域N分别为异或同或组合逻辑门的使能控制域，M*及N*分别为使能控制域M及N对应的互补使能控制域，其他域都是分支迁移域。DNA单链<s₁ s₂T^1 2>、<s₃ s₄ T^3 4>、<s₅ s₆ T^5 6>、<s₇ s₈ T^7 8>是异或同或分子组合逻辑门G_X/XN中与门的输入信号，其中，<s₁ s₂ T^1 2>及<s₃ s₄ T^3 4>分别代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，<s₅ s₆ T^5 6>及<s₇ s₈ T^7 8>分别代表另一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”。DNA单链<sa₁sb₂T^a b>、<sc₁ sd₂ T^c d>、<se₁ sf₂ T^e f>、<sg₁ sh₂ T^g h>是异或同或分子组合逻辑门G_X/XN中或门的输入信号，其中，<sa₁ sb₂ T^a b>及<sc₁ sd₂ T^c d>代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，<se₁ sf₂ T^e f>及<sg₁ sh₂ T^g h>代表另一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”。DNA单链<T^10>是控制异或同或组合逻辑门异或门正常工作的控制链，DNA双链{T^*}[10M^]<11>是异或同或分子组合逻辑门G_X/XN异或门的信号控制输入链，{T^*}[10M^]<11>使异或门输入信号发挥功能。DNA双链{M^*}[11T^]:[1 2T^]:[7 8T^]<12>及{M^*}[11T^]:[34T^]:[5 6T^]<12>实现异或门逻辑功能。DNA单链<T^j>是控制异或同或分子组合逻辑门G_X/XN同或门正常工作的控制链，DNA双链{T^*}[j N^]<k>是异或同或分子组合逻辑门G_X/XN同或门的信号控制输入链，{T^*}[j N^]<k>使同或门输入信号发挥功能。DNA双链{N^*}[k T^]:[a b T^]:[e f T^]<l>及{N^*}[k T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>实现同或门逻辑功能。DNA双链{T^*}[12T^]<flour1>代表异或门的荧光报道门链，则其异或门的输出信号为DNA单链<12T^flour1>将其命名为Oa1，其中，Oa1存在代表逻辑“1”，Oa1不存在代表逻辑“0”。DNA双链{T^*}[l T^]<flour2>代表同或门的荧光报道门链，则其同或门的输出信号为DNA单链<l T^flour2>将其命名为Oa2，其中，Oa2存在代表逻辑“1”，Oa2不存在代表逻辑“0”。其中，flour1及flour2代表荧光链。图6中，当异或同或分子组合逻辑门只存在DNA单链<T^10>时，与DNA双链{T^*}[10M^]<11>发生链置换反应，置换出DNA单链<10M^11>，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN执行异或非运算操作。DNA单链<10M^11>均与DNA双链{M^*}[11T^]:[1 2T^]:[78T^]<12>及{M^*}[11T^]:[3 4T^]:[5 6T^]<12>发生链置换反应，生成中间DNA双链<10>[M^*11]{T^*}:[1 2T^]:[7 8T^]<12>与<10>[M^*11]{T^*}:[3 4T^]:[5 6T^]<12>。当输入DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₅ s₆ T^5 6>时，代表其两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，DNA单链均不能与DNA双链发生链置换反应，因此反应中不存在DNA单链<12T^flour1>，其运算结果为逻辑“0”。当输入DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>和<s₇ s₈ T^7 8>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，与DNA双链{M^*}[11T^]:[1 2T^]:[7 8T^]<12>发生链置换反应，置换出的DNA单链<7 8T^12>与DNA双链{T^*}[12T^]<flour1>发生链置换反应，置换出DNA单链<12T^flour1>其运算结果为逻辑“1”。当输入DNA单链<s₃ s₄ T^3 4>和<s₅ s₆T^56>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，与DNA双链{M^*}[11T^]:[3 4T^]:[56T^]<12>发生链置换反应，置换出的DNA单链<5 6T^12>与DNA双链{T^*}[12T^]<flour1>发生链置换反应，置换出DNA单链<12T^flour1>其运算结果为逻辑“1”。当输入DNA单链<s₃ s₄ T^3 4>和<s₇ s₈ T^7 8>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，DNA单链均不能与DNA双链发生链置换反应，因此反应中不存在DNA单链<12T^flour1>，其运算结果为逻辑“0”。图6中，当异或同或分子组合逻辑门只存在DNA单链<T^j>时，与DNA双链{T^*}[j N^]<k>发生链置换反应，置换出DNA单链<j N^k>，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN执行同或非运算操作。DNA单链<j N^k>均与DNA双链{N^*}[k T^]:[a b T^]:[e f T^]<l>及{N^*}[k T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>发生链置换反应，生成中间DNA双链<j>[N^*k]{T^]:[a b T^]:[e fT^]<l>及<j>[N^*k]{T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>，其中，l表示分支迁移域。当输入DNA单链<s_a s_b T^a b>和<s_e s_f T^e f>时，代表其输入信号为逻辑“0”与逻辑“0”，与DNA双链<j>[N^*k]{T^]:[a b T^]:[e f T^]<l>发生链置换反应，置换出DNA单链<e f T^l>与DNA双链{T^*}[l T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<l T^flour2>其运算结果为逻辑“1”。当输入DNA单链<s_a s_b T^a b>和<s_g s_h T^g h>时，代表其两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链均不能与DNA双链发生链置换反应，因此反应中不存在DNA单链<l T^flour2>，其运算结果为逻辑“0”。当输入DNA单链<s_e s_f T^e f>和<s_c s_d T^c d>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，DNA单链均不能与DNA双链发生链置换反应，因此反应中不存在DNA单链<l T^flour2>，其运算结果为逻辑“0”。当输入DNA单链<s_c s_d T^c d>和<s_g s_h T^g h>时，代表其两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，DNA单链<s_g s_h T^g h>与DNA双链<j>[N^*k]{T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>发生链置换反应，置换出DNA单链<g h T^l>与DNA双链{T^*}[l T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<l T^flour2>其运算结果为逻辑“1”。当同时不存在DNA单链<T^10>和<T^j>时，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN不能正常工作。当同时存在DNA单链<T^10>和<T^j>时，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN正常工作，同时执行异或运算及同或运算，其运算过程如上，异或同或分子组合逻辑门分别执行异或运算和同或运算时一致。异或同或分子组合逻辑门G_X/XN使用Visual DSD进行仿真分析，其仿真图如图7所示。

步骤三：依次级联步骤二设计的与或分子组合逻辑门、与非或非分子组合逻辑门和异或同或分子组合逻辑门，形成三级联分子组合逻辑电路。

与或分子组合逻辑门级联与非或非分子组合逻辑门，与非或非分子组合逻辑门级联异或同或分子组合逻辑门，形成三级联分子组合逻辑电路，其分子电路抽象图如图8所示。G_A/O表示与或分子组合逻辑门、G_NA/NO表示与非或非分子组合逻辑门、G_X/XN表示异或同或分子组合逻辑门，R、S、X、W为三级联分子组合逻辑电路的外部输入信号，Y为最终的输出信号。输入信号R和输入信号S分别与与或分子组合逻辑门G_A/O的两个输入端相连接，与或分子组合逻辑门G_A/O的输出端和输入信号X分别与与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO的两个输入端相连接，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO的输出端和输入信号W分别与异或同或分子组合逻辑门G_X/XN的输入端相连接，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN的输出端输出输出信号Y。

所述与或分子组合逻辑门G_A/O、与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO和异或同或分子组合逻辑门G_X/XN和上还设有控制端，与或分子组合逻辑门G_A/O的控制端与控制信号输入信号C₁/C₂相连接，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO的控制端与控制信号输入信号C₃/C₄相连接，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN的控制端与控制信号输入信号C₅/C₆相连接。C₁/C₂、C₃/C₄、C₅/C₆为三级联分子组合逻辑电路的控制信号输入信号，决定三级联分子组合逻辑电路实现的逻辑运算功能，C₁使与或分子组合逻辑门的与门正常工作，C₂使与或分子组合逻辑门的或门正常工作，C₃使与非或非分子组合逻辑门的与非门正常工作，C₄使与非或非分子组合逻辑门的或非门正常工作，C₅使异或同或分子组合逻辑门的异或门正常工作，C₆使异或同或同或门正常工作。当C₁正常工作即浓度超过设定阈值时，与或分子组合逻辑门G_A/O的与门控制链可以与信号控制输入链发生反应，C₁正常工作指的是控制链C₁存在，可使与或分子组合逻辑门G_A/O执行与逻辑运算，与或分子组合逻辑门G_A/O执行与逻辑运算，当C₂正常工作时，与或分子组合逻辑门G_A/O执行或逻辑运算，当C₃正常工作时，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO执行与非逻辑运算，当C₄正常工作时，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO执行或非逻辑运算，当C₅正常工作时，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN执行异或逻辑运算，当C₆正常工作时，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN执行同或逻辑运算。C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆共有十种不同的组合，因此分子组合逻辑电路的输出信号存在十种不同的结构。图8中，当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“101010”时，其分子组合逻辑电路设计实现Y＝(RST)'⊕W的逻辑运算功能，其中，'表示非门符号、⊕表示异或门符号。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“101001”时，其分子组合逻辑电路设计实现Y＝(RST)'⊙W的逻辑运算功能，⊙表示同或门符号。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“100110”时，其分子组合逻辑电路设计实现Y＝((RS)+T)'⊕W的逻辑运算功能。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“100101”时，其分子组合逻辑电路设计实现Y＝((RS)+T)'⊙W的逻辑运算功能。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“010101”时，其分子组合逻辑电路设计实现Y＝((R+S)+T)'⊙W的逻辑运算功能。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“010110”时，其分子组合逻辑电路设计实现Y＝((R+S)+T)'⊕W的逻辑运算功能。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“011001”时，其分子组合逻辑电路设计实现Y＝((R+S)T)'⊙W的逻辑运算功能。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“011010”时，其分子组合逻辑电路设计实现Y＝((R+S)T)'⊕W的逻辑运算功能。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“000000”时，三种分子组合逻辑门均不能正常工作，其输出信号Y始终为“0”。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“111111”时，三种分子组合逻辑均正常工作，其输出信号Y始终为“1”。

步骤四：根据步骤三中的三级联分子组合逻辑电路，使用Visual DSD软件对三级联分子组合逻辑电路进行仿真分析，实现了相应的逻辑运算功能。

使用Visual DSD软件对三级联分子组合逻辑电路的仿真图如图9所示。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“101010”时，其输入信号RSTW为“0000-1111”，其仿真如图9(a)所示，实现了Y＝(RST)'⊕W的逻辑运算功能，组合门实现的是与非的功能。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“101001”时，其输入信号RSTW为“0000-1111”，其仿真图如图9(b)所示，实现了Y＝((RST)'⊙W的逻辑运算功能。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“100110”时，其输入信号RSTW为“0000-1111”，其仿真图如图9(c)所示，实现了Y＝((RS)+T)'⊕W的逻辑运算功能。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“100101”时，其输入信号RSTW为“0000-1111”，其仿真图如图9(d)所示，实现了Y＝((RS)+T)'⊙W的逻辑运算功能。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“010101”时，其输入信号RSTW为“0000-1111”，其仿真图如图9(e)所示，实现了Y＝((R+S)+T)'⊙W的逻辑运算功能，组合门实现的是或非的功能。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“010110”时，其输入信号RSTW为“0000-1111”，其仿真图如图9(f)所示，实现了Y＝((R+S)+T)'⊕W的逻辑运算功能。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“011001”时，其输入信号RSTW为“0000-1111”，其仿真图如图9(g)所示，实现了Y＝((R+S)T)'⊙W的逻辑运算功能。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“011010”时，其输入信号RSTW为“0000-1111”，其仿真图如图9(h)所示，实现Y＝((R+S)T)'⊕W的逻辑运算功能。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“000000”时，其三种分子组合逻辑门均不能正常工作，其输出信号Y始终为“0”，此处仿真图分析不再赘述。当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“111111”时，其三种分子组合逻辑均正常工作，其输出信号Y由异或同或组合逻辑门决定，无论上游输出信号为逻辑“0”或逻辑“1”，由异或、同或门的逻辑运算规则可知无论输入信号W是逻辑“0”或逻辑“1”，其最终的输出信号始终为逻辑“1”，其仿真图如图7异或同或分子组合逻辑门仿真图所示。

本发明利用输入信号控制信号，使用DNA链置换技术设计了与或、与非或非、异或同或三种分子组合逻辑门，并构建形成三级联分子组合逻辑电路。通过Visual DSD软件对分子组合逻辑门及分子组合逻辑电路进行仿真分析，可知其设计实现了其预期的功能，具体分析如上所述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法，其特征在于，其步骤如下：

2.根据权利要求1所述的基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法，其特征在于，所述步骤三中与或分子组合逻辑门G_A/O级联与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO级联异或同或分子组合逻辑门G_X/XN，形成三级联分子组合逻辑电路；外部的输入信号R和输入信号S分别与与或分子组合逻辑门G_A/O的两个输入端相连接，与或分子组合逻辑门G_A/O的输出端和外部的输入信号X分别与与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO的两个输入端相连接，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO的输出端和外部的输入信号W分别与异或同或分子组合逻辑门G_X/XN的两个输入端相连接，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN的输出端输出输出信号Y。

3.根据权利要求2所述的基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法，其特征在于，所述与或分子组合逻辑门G_A/O、与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO和异或同或分子组合逻辑门G_X/XN上均设有控制端，与或分子组合逻辑门G_A/O的控制端与控制信号输入信号C₁/C₂相连接，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO的控制端与控制信号输入信号C₃/C₄相连接，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN的控制端与控制信号输入信号C₅/C₆相连接；当控制信号输入信号C₁正常工作时，与或分子组合逻辑门G_A/O执行与逻辑运算，当控制信号输入信号C₂正常工作时，与或分子组合逻辑门G_A/O执行或逻辑运算；当控制信号输入信号C₃正常工作时，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO执行与非逻辑运算，当控制信号输入信号C₄正常工作时，与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO执行或非逻辑运算；当控制信号输入信号C₅正常工作时，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN执行异或逻辑运算，当控制信号输入信号C₆正常工作时，异或同或分子组合逻辑门G_X/XN执行同或逻辑运算。

4.根据权利要求3所述的基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法，其特征在于，所述控制信号输入信号C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆共有十种不同的组合，三级联分子组合逻辑电路的输出信号存在十种不同的结构：当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“101010”时，实现Y=(RST)'⊕W的逻辑运算功能，其中，'表示非门符号，⊕表示异或门符号；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“101001”时，实现Y=(RST)'⊙W的逻辑运算功能，⊙表示同或门符号；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“100110”时，实现Y=((RS)+T)'⊕W的逻辑运算功能；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“100101”时，实现Y=((RS)+T)'⊙W的逻辑运算功能；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“010101”时，实现Y=((R+S)+T)'⊙W的逻辑运算功能；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“010110”时，实现Y=((R+S)+T)'⊕W的逻辑运算功能；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“011001”时，实现Y=((R+S)T)'⊙W的逻辑运算功能；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“011010”时，实现Y=((R+S)T)'⊕W的逻辑运算功能；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“000000”时，与或分子组合逻辑门G_A/O、与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO和异或同或分子组合逻辑门G_X/XN均不能正常工作，输出信号Y始终为“0”；当C₁C₂C₃C₄C₅C₆为“111111”时，与或分子组合逻辑门G_A/O、与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO和异或同或分子组合逻辑门G_X/XN均正常工作，其输出信号Y始终为“1”。

5.根据权利要求2-4中任意一种所述的基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法，其特征在于，所述或分子组合逻辑门G_A/O包括分别表示两个输入逻辑“0”和逻辑“1”的四个与门输入DNA单链、分别表示两个输入逻辑“0”和“1”的四个或门输入DNA单链、与门控制DNA单链、与门信号控制输入DNA双链、三个与门逻辑DNA双链、或门控制DNA单链、或门信号控制输入DNA双链和三个或门逻辑DNA双链，与门控制DNA单链与与门信号控制输入DNA双链具有相同的小支点结构域T，三个与门逻辑DNA双链分别与四个与门输入DNA单链和与门信号控制输入DNA双链相匹配，三个与门逻辑DNA双链与两个分别表示输出为逻辑“0”和逻辑“1”与门荧光报道门链相匹配；或门控制DNA单链与或门信号控制输入DNA双链具有相同的小支点结构域T，三个或门逻辑DNA双链分别与四个或门输入DNA单链和或门信号控制输入DNA双链相匹配，三个或门逻辑DNA双链与两个分别表示输出信号逻辑“0”和逻辑“1”的或门荧光报道门链相匹配。

6.根据权利要求5所述的基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法，其特征在于，所述或分子组合逻辑门G_A/O的四个与门输入DNA单链包括DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>、<s₃s₄ T^ 3 4>、<s₅ s₆ T^ 5 6>和<s₇ s₈ T^ 7 8>，DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>和<s₃ s₄ T^ 3 4>分别代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s₅ s₆ T^ 5 6>及<s₇ s₈ T^ 7 8>分别代表另一输入的逻辑“0”与逻辑“1”；与门控制DNA单链为DNA单链<T^ 11>，与门信号控制输入DNA双链为DNA双链{T^*}[11 M^]<13>，三个与门逻辑DNA双链包括DNA双链{M^*}[13 T^]:[3 4 T^]:[7 8 T^]<9>、{M^*}[13 T^]:[1 2 T^]<10>及{M^*}[13 T^]:[5 6 T^]<10>，两个与门荧光报道门链包括DNA报道门链{T^*}[9 T^]<flour1>和{T^*}[10 T^]<flour2>，与门荧光报道门链置换出来的DNA单链<9 T^ flour1>和<10 T^ flour2>分别表示或分子组合逻辑门G_A/O的与门输出的逻辑“1”和逻辑“0”；

四个或门输入DNA单链包括DNA单链<sa₁ sb₂ T^ a b>、<sc₁ sd₂ T^ c d>、<se₁ sf₂ T^e f>和<sg₁ sh₂ T^ g h>，DNA单链<sa₁ sb₂ T^ a b>及<sc₁ sd₂ T^ c d>分别代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<se₁ sf₂ T^ e f>及<sg₁ sh₂ T^ g h>分别代表另一输入的逻辑“0”与逻辑“1”；或门控制DNA单链为DNA单链<T^ k>，或门信号控制输入DNA双链为DNA双链{T^*}[k N^]<m>，三个或门逻辑DNA双链包括DNA双链{N^*}[m T^]:[a b T^]:[e fT^]、{N^*}[m T^]:[c d T^]<j>及{N^*}[m T^]:[g h T^]<j>，或门荧光报道门链包括DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour3>及{T^*}[j T^]<flour4>，或门荧光报道门链置换出的输出信号为DNA单链和<j T^ flour4>，DNA单链和<j T^flour4>分别代表或门输出的逻辑“0”和逻辑“1”；

当与或分子组合逻辑门G_A/O只存在DNA单链<T^ 11>时，DNA单链<T^ 11>与DNA双链{T^*}[11 M^]<13>发生链置换反应置换出DNA单链<11 M^ 13>，DNA单链<11 M^ 13>均与DNA双链{M^*}[13 T^]:[3 4 T^]:[7 8 T^]<9>、{M^*}[13 T^]:[1 2 T^]<10>及{M^*}[13 T^]:[5 6 T^]<10>发生链置换反应，生成中间DNA双链<11>[M^ 13]{T^}:[3 4 T^]:[7 8 T^]<9>、<11>[M^ 13]{T^}:[1 2 T^]<10>与<11>[M^ 13]{T^}:[5 6 T^]<10>；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>和<s₅ s₆ T^ 5 6>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，输入DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>和<s₅ s₆ T^ 5 6>分别与DNA双链<11>[M^ 13]{T^}:[1 2 T^]及<11>[M^ 13]{T^}:[5 6 T^]<10>发生链置换反应置换出DNA单链<1 2 T^10>和<5 6 T^ 10>，DNA单链<5 6 T^ 10>与DNA报道门链{T^*}[10 T^]<flour2>发生链置换反应置换出DNA单链<10 T^ flour2>，代表输出为逻辑“0”；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>和<s₅ s₆ T^ 7 8>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>与DNA双链<11>[M^ 13]{T^}:[1 2 T^]<10>发生链置换反应，置换出的DNA单链<1 2 T^ 10>与DNA报道门链{T^*}[10 T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<10 T^ flour2>，代表输出为逻辑“0”；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^ 3 4>和<s₅ s₆ T^ 5 6>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，DNA单链<s₅ s₆ T^ 5 6>与DNA双链<11>[M^ 13]{T^}:[5 6 T^]<10>发生链置换反应，置换出的DNA单链<5 6 T^ 10>与DNA报道门链{T^*}[10 T^]<flour2>发生链置换反应置换出DNA单链<10 T^ flour2>，代表输出为逻辑“0”；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^ 3 4>和<s₅ s₆ T^ 7 8>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，DNA单链<s₅ s₆ T^ 7 8>与DNA双链<11>[M^ 13]{T^}:[3 4 T^]:[7 8 T^]<9>发生链置换反应，置换出的DNA单链<7 8 T^ 9>与DNA报道门链{T^*}[9 T^]<flour1>发生链置换反应置换出DNA单链<9 T^ flour1>，代表输出为逻辑“1”；

当与或分子组合逻辑门G_A/O只存在DNA单链<T^ k>时，DNA单链<T^ k>与DNA双链{T^*}[k N^]<m>发生链置换反应置换出DNA单链<k N^ m>，DNA单链<k N^ m>均与DNA双链{N^*}[m T^]:[a b T^]:[e f T^]、{N^*}[m T^]:[c d T^]<j>及{N^*}[m T^]:[g h T^]<j>发生链置换反应，生成中间DNA双链<k>[N^ m]{T^}:[a b T^]:[e f T^]、<k>[N^ m]{T^}:[c d T^]<j>及<k>[N^ m]{T^}:[g h T^]<j>；

当输入DNA单链<sa₁ sb₂ T^ a b>和<se₁ sf₂ T^ e f>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，DNA单链<se₁ sf₂ T^ e f>与DNA双链<k>[N^ m]{T^}:[a b T^]:[e f T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<e f T^ i>与DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour3>发生链置换反应置换出DNA单链，代表输出逻辑“0”；

当输入DNA单链<sa₁ sb₂ T^ a b>和<sg₁ sh₂ T^ g h>时，代表两个输入信号为逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<sg₁ sh₂ T^ g h>与DNA双链<k>[N^ m]{T^}:[g h T^]<j>发生链置换反应，置换出的DNA单链<g h T^ j>与DNA报道门链{T^*}[j T^]<flour4>发生链置换反应，置换出的DNA单链<j T^ flour4>代表输出为逻辑“1”；

当输入DNA单链<sc₁ sd₂ T^ c d>和<se₁ sf₂ T^ e f>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，DNA单链<sc₁ sd₂ T^ c d>与DNA双链<k>[N^ m]{T^}:[c d T^]<j>发生链置换反应，置换出的DNA单链<c d T^ j>与DNA报道门链{T^*}[j T^]<flour4>发生链置换反应，置换出的DNA单链<j T^ flour4>代表输出为逻辑“1”；

当输入DNA单链<sc₁ sd₂ T^ c d>和<sg₁ sh₂ T^ g h>时，代表两个输入信号为逻辑“1”与逻辑“1”，输入DNA单链<sc₁ sd₂ T^ c d>和<sg₁ sh₂ T^ g h>分别与DNA双链<k>[N^ m]{T^}:[c d T^]<j>和<k>[N^ m]{T^}:[g h T^]<j>发生链置换反应，置换出的DNA单链<c dT^ j>和<g h T^ j>与DNA报道门链{T^*}[j T^]<flour4>发生链置换反应，置换出的DNA单链<j T^ flour4>代表输出为逻辑“1”。

7.根据权利要求2-4、6中任意一项所述的基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法，其特征在于，所述与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO包括分别表示两个输入逻辑“0”和逻辑“1”的四个与非门输入DNA单链、分别表示两个输入逻辑“0”和“1”的四个或非门输入DNA单链、与非门控制DNA单链、与非门信号控制输入DNA双链、三个与非门逻辑DNA双链、或非门控制DNA单链、或非门信号控制输入DNA双链和三个或非门逻辑DNA双链，与非门控制DNA单链与与非门信号控制输入DNA双链具有相同的小支点结构域T，三个与非门逻辑DNA双链分别与四个与非门输入DNA单链和与非门信号控制输入DNA双链相匹配，三个与非门逻辑DNA双链与两个分别表示输出为逻辑“0”和逻辑“1”的与非门荧光报道门链相匹配；或非门控制DNA单链与或非门信号控制输入DNA双链具有相同的小支点结构域T，三个或非门逻辑DNA双链分别与四个或非门输入DNA单链和或非门信号控制输入DNA双链相匹配，三个或非门逻辑DNA双链与两个分别表示输出为逻辑“0”和逻辑“1”的或非门荧光报道门链相匹配。

8.根据权利要求7所述的基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法，其特征在于，所述与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO的四个与非门输入DNA单链包括DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>、<s₃ s₄ T^ 3 4>、<s₅ s₆ T^ 5 6>、<s₇ s₈ T^ 7 8>是与非门的输入信号，其中，DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>及<s₃ s₄ T^ 3 4>分别代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s₅s₆ T^ 5 6>及<s₇ s₈ T^ 7 8>分别代表另一输入的逻辑“0”与逻辑“1”；与非门控制DNA单链为DNA单链<T^ 11>，与非门信号控制输入DNA双链为DNA双链{T^*}[11 M^]<12>，三个与非门逻辑DNA双链包括DNA双链{M^*}[12 T^]:[3 4 T^]:[7 8 T^]<9>、{M^*}[12 T^]:[1 2 T^]<10>及{M^*}[12 T^]:[5 6 T^]<10>；两个与非门荧光报道门链包括DNA报道门链{T^*}[9 T^]<flour1>、{T^*}[10 T^]<flour2>，DNA报道门链{T^*}[9 T^]<flour1>、{T^*}[10 T^]<flour2>置换出的DNA单链<9 T flour1>和<10 T flour2>分别代表与非门输出的逻辑“0”和逻辑“1”；

四个或非门输入DNA单链包括DNA单链<sa₁ sb₂ T^ a b>、<sc₁ sd₂ T^ c d>、<se₁ sf₂T^ e f>、<sg₁ sh₂ T^ g h>是或非门的输入信号，其中，DNA单链<sa₁ sb₂ T^ a b>及<sc₁sd₂ T^ c d>代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<se₁ sf₂ T^ e f>及<sg₁ sh₂ T^g h>代表另一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”；或非门控制DNA单链为DNA单链<T^ j>，或非门信号控制输入DNA双链为DNA双链{T^*}[j N^]<k>，三个或非门逻辑DNA双链包括DNA双链{N^*}[k T^]:[a b T^]:[e f T^]、{N^*}[k T^]:[c d T^]及{N^*}[k T^]:[g h T^]，两个或非门逻辑DNA双链包括DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour3>及{T^*}[j T^]<flour4>，置换出来的输出信号为DNA单链和<j T^ flour4>分别代表或非门输出的逻辑“1”和“0”；

其中，T为小支点结构域，T*为小支点结构域T的互补小支点结构域，M及N为不同的使能控制域，M*是使能控制域M的互补使能控制域，N*是使能控制域N对应的互补使能控制域；^表示小支点域，[ ]表示DNA双链结构域，{ }表示DNA双链中的下链，<>表示DNA双链中的上链；s_1-8、1-8、9、10、11、12、sa₁、sb₂、sc₁、sd₂、se₁、sf₂、sg₁、sh₂、a-h、k、m、i、j均表示不同的分支迁移域；flour1、flour2、flour3和flour4均代表荧光链；

当与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO只存在DNA单链<T^ 11>时，DNA单链<T^ 11>与DNA双链{T^*}[11 M^]<12>发生链置换反应置换出DNA单链<11 M^ 12>，DNA单链<11 M^ 12>均与DNA双链{M^*}[12 T^]:[3 4 T^]:[7 8 T^]<9>、{M^*}[12 T^]:[1 2 T^]<10>及{M^*}[12T^]:[5 6 T^]<10>发生链置换反应，分别生成中间DNA双链<11>[M^ 12]{T^}:[3 4 T^]:[78 T^]<9>、<11>[M^ 12]{T^}:[1 2 T^]<10>与<11>[M^ 12]{T^}:[5 6 T^]<10>；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>和<s₅ s₆ T^ 5 6>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>和<s₅ s₆ T^ 5 6>分别与DNA双链<11>[M^ 12]{T^}:[12 T^]<10>及<11>[M^ 12]{T^}:[5 6 T^]<10>发生链置换反应，置换出的DNA单链<1 2 T^10>和<5 6 T^ 10>均与DNA报道门链{T^*}[10 T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<10 T^ flour2>代表输出为逻辑“1”；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>和<s₅ s₆ T^ 7 8>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>与DNA双链<11>[M^ 12]{T^}:[1 2 T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<1 2 T^ 10>与DNA报道门链{T^*}[10 T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<10 T^ flour2>代表输出为逻辑“1”；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^ 3 4>和<s₅ s₆ T^ 5 6>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，DNA单链<s₅ s₆ T^ 5 6>与DNA双链<11>[M^ 12]{T^}:[5 6 T^]<10>发生链置换反应，置换出的DNA单链<5 6 T^ 10>与DNA报道门链{T^*}[10 T^]<flour2>发生链置换反应，置换出的DNA单链<10 T^ flour2>代表输出为逻辑“1”；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^ 3 4>和<s₅ s₆ T^ 7 8>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，DNA单链<s₅ s₆ T^ 7 8>与DNA双链<11>[M^ 12]{T^}:[3 4 T^]:[7 8 T^]<9>发生链置换反应，置换出的DNA单链<7 8 T^ 9>与DNA报道门链{T^*}[9 T^]<flour1>发生链置换反应，置换出的DNA单链<9 T^ flour1>代表输出为逻辑“0”；

当与非或非分子组合逻辑门G_NA/NO只存在DNA单链<T^ j>时，DNA单链<T^ j>与DNA双链{T^*}[j N^]<k>发生链置换反应，置换出DNA单链<j N^ k>，DNA单链<j N^ k>均与DNA双链{N^*}[k T^]:[a b T^]:[e f T^]<h>、{N^*}[k T^]:[c d T^]及{N^*}[k T^]:[g h T^]发生链置换反应，分别生成中间DNA双链<j>[N^ k]{T^}:[a b T^]:[e f T^]<h>、<j>[N^ k]{T^}:[c d T^]及<j>[N^ k]{T^}:[g h T^]；

当输入DNA单链<sa₁ sb₂ T^ a b>和<se₁ sf₂ T^ e f>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，DNA单链<se₁ sf₂ T^ e f>与DNA双链<j>[N^ k]{T^}:[a b T^]:[e f T^]<h>发生链置换反应，置换出的DNA单链<e f T^ h>与DNA报道门链{T^*}[h T^]<flour3>发生链置换反应，置换出的DNA单链<h T^ flour3>代表输出为逻辑“1”；

当输入DNA单链<sa₁ sb₂ T^ a b>和<sg₁ sh₂ T^ g h>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<sg₁ sh₂ T^ g h>与DNA双链<j>[N^ k]{T^}:[g h T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<g h T^ i>与DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour4>发生链置换反应，置换出的DNA单链代表输出为逻辑“0”；

当输入DNA单链<sc₁ sd₂ T^ c d>和<se₁ sf₂ T^ e f>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，DNA单链<sc₁ sd₂ T^ c d>与DNA双链<j>[N^ k]{T^}:[c d T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<c d T^ i>与DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour4>发生链置换反应，置换出的DNA单链代表输出为逻辑“0”；

当输入DNA单链<sc₁ sd₂ T^ c d>和<sg₁ sh₂ T^ g h>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，DNA单链<sc₁ sd₂ T^ c d>和<sg₁ sh₂ T^ g h>分别与DNA双链<j>[N^ k]{T^}:[c d T^]和<j>[N^ k]{T^}:[g h T^]发生链置换反应，置换出的DNA单链<c dT^ i>和<g h T^ i>均与DNA报道门链{T^*}[i T^]<flour4>发生链置换反应，置换出的DNA单链代表输出为逻辑“0”。

9.根据权利要求2-4中任意一项所述的基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法，其特征在于，所述异或同或分子组合逻辑门G_X/XN包括分别表示两个输入逻辑“0”和逻辑“1”的四个异或门输入DNA单链、分别表示两个输入逻辑“0”和“1”的四个同或门输入DNA单链、异或门控制DNA单链、异或门信号控制输入DNA双链、两个异或门逻辑DNA双链、同或门控制DNA单链、同或门信号控制输入DNA双链和两个同或门逻辑DNA双链，异或门控制DNA单链与异或门信号控制输入DNA双链具有相同的小支点结构域T，两个异或门逻辑DNA双链分别与四个异或门输入DNA单链和异或门信号控制输入DNA双链相匹配，两个异或门逻辑DNA双链与异或门荧光报道门链相匹配；同或门控制DNA单链与同或门信号控制输入DNA双链具有相同的小支点结构域T，两个同或门逻辑DNA双链分别与四个同或门输入DNA单链和同或门信号控制输入DNA双链相匹配，两个同或门逻辑DNA双链与同或门荧光报道门链相匹配。

10.根据权利要求9所述的基于DNA链置换的三级联分子组合电路的实现方法，其特征在于，所述异或同或分子组合逻辑门G_X/XN的四个异或门输入DNA单链包括DNA单链<s₁ s₂ T^1 2>、<s₃ s₄ T^ 3 4>、<s₅ s₆ T^ 5 6>、<s₇ s₈ T^ 7 8>，DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>及<s₃ s₄T^ 3 4>分别代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s₅ s₆ T^ 5 6>及<s₇ s₈ T^ 7 8>分别代表另一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”；异或门控制DNA单链为DNA单链<T^ 10>，异或门信号控制输入DNA双链为DNA双链{T^*}[10 M^]<11>，两个异或门逻辑DNA双链包括DNA双链{M^*}[11 T^]:[1 2 T^]:[7 8 T^]<12>及{M^*}[11 T^]:[3 4 T^]:[5 6 T^]<12>；异或门荧光报道门链为DNA双链{T^*}[12 T^]<flour1>，异或门的输出为DNA单链<12 T^flour1>，DNA单链<12 T^ flour1>存在代表逻辑“1”，不存在代表逻辑“0”；

四个同或门输入DNA单链包括DNA单链<sa₁ sb₂ T^ a b>、<sc₁ sd₂ T^ c d>、<se₁ sf₂T^ e f>、<sg₁ sh₂ T^ g h>，其中，DNA单链<sa₁ sb₂ T^ a b>及<sc₁ sd₂ T^ c d>代表一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<se₁ sf₂ T^ e f>及<sg₁ sh₂ T^ g h>代表另一个输入的逻辑“0”与逻辑“1”；同或门控制DNA单链为DNA单链<T^ j>，同或门信号控制输入DNA双链为DNA双链{T^*}[j N^]<k>，两个同或门逻辑DNA双链包括DNA双链{N^*}[k T^]:[a b T^]:[e f T^]<l>及{N^*}[k T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>，同或门荧光报道门链为DNA双链{T^*}[l T^]<flour2>，同或门的输出信号为DNA单链<l T^ flour2>，DNA单链<l T^ flour2>存在代表逻辑“1”，不存在代表逻辑“0”；

当异或同或分子组合逻辑门G_X/XN只存在DNA单链<T^ 10>时，DNA单链<T^ 10>与DNA双链{T^*}[10 M^]<11>发生链置换反应，置换出DNA单链<10 M^ 11>，DNA单链<10 M^ 11>均与DNA双链{M^*}[11 T^]:[1 2 T^]:[7 8 T^]<12>及{M^*}[11 T^]:[3 4 T^]:[5 6 T^]<12>发生链置换反应，分别生成中间DNA双链<10>[M^* 11]{ T^*}:[1 2 T^]:[7 8 T^]<12>与<10>[M^* 11]{ T^*}:[3 4 T^]:[5 6 T^]<12>；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>和<s₅ s₆ T^ 5 6>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>和<s₅ s₆ T^ 5 6>均不能与DNA双链<10>[M^* 11]{ T^*}:[1 2 T^]:[7 8 T^]<12>与<10>[M^* 11]{ T^*}:[3 4 T^]:[5 6 T^]<12>发生链置换反应，因此反应中不存在DNA单链<12 T^ flour1>，异或门运算结果为逻辑“0”；

当输入DNA单链<s₁ s₂ T^ 1 2>和<s₇ s₈ T^ 7 8>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s₇ s₈ T^ 7 8>与DNA双链{M^*}[11 T^]:[1 2 T^]:[7 8 T^]<12>发生链置换反应，置换出的DNA单链<7 8 T^ 12>与DNA双链{T^*}[12 T^]<flour1>发生链置换反应置换出DNA单链<12 T^ flour1>，表示运算结果为逻辑“1”；

当输入DNA单链<s₃ s₄ T^ 3 4>和<s₅ s₆ T^ 5 6>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，DNA单链<s₅ s₆ T^ 5 6>与DNA双链{M^*}[11 T^]:[3 4 T^]:[5 6 T^]<12>发生链置换反应，置换出的DNA单链<5 6 T^ 12>与DNA双链{T^*}[12 T^]<flour1>发生链置换反应置换出的DNA单链<12 T^ flour1>，表示运算结果为逻辑“1”；

当输入DNA单链<s₃ s₄ T^ 3 4>和<s₇ s₈ T^ 7 8>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，DNA单链均<s₃ s₄ T^ 3 4>和<s₇ s₈ T^ 7 8>不能与DNA双链<10>[M^* 11]{ T^*}:[1 2 T^]:[7 8 T^]<12>与<10>[M^* 11]{ T^*}:[3 4 T^]:[5 6 T^]<12>发生链置换反应，因此反应中不存在DNA单链<12 T^ flour1>，运算结果为逻辑“0”；

当异或同或分子组合逻辑门G_X/XN只存在DNA单链<T^ j>时，DNA单链<T^ j>与DNA双链{T^*}[j N^]<k>发生链置换反应置换出DNA单链<j N^ k>，DNA单链<j N^ k>均与DNA双链{N^*}[k T^]:[a b T^]:[e f T^]<l>及{N^*}[k T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>发生链置换反应，分别生成中间的DNA双链<j>[N^* k]{T^]:[a b T^]:[e f T^]<l>及<j>[N^* k]{T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>；

当输入DNA单链<s_a s_b T^ a b>和<s_e s_f T^ e f>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“0”，DNA单链<s_e s_f T^ e f>与DNA双链<j>[N^* k]{T^]:[a b T^]:[e f T^]<l>发生链置换反应，置换出的DNA单链<e f T^ l>与DNA双链{T^*}[l T^]<flour2>发生链置换反应，置换出的DNA单链<l T^ flour2>，代表运算结果为逻辑“1”；

当输入DNA单链<s_a s_b T^ a b>和<s_g s_h T^ g h>时，代表两个输入信号分别为逻辑“0”与逻辑“1”，DNA单链<s_a s_b T^ a b>和<s_g s_h T^ g h>均不能与DNA双链DNA双链<j>[N^*k]{T^]:[a b T^]:[e f T^]<l>及<j>[N^* k]{T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>发生链置换反应，因此反应中不存在DNA单链<l T^ flour2>，运算结果为逻辑“0”；

当输入DNA单链<s_e s_f T^ e f>和<s_c s_d T^ c d>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“0”，DNA单链<s_e s_f T^ e f>和<s_c s_d T^ c d>均不能与DNA双链<j>[N^* k]{T^]:[a b T^]:[e f T^]<l>及<j>[N^* k]{T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>发生链置换反应，因此反应中不存在DNA单链<l T^ flour2>，运算结果为逻辑“0”；

当输入DNA单链<s_c s_d T^ c d>和<s_g s_h T^ g h>时，代表两个输入信号分别为逻辑“1”与逻辑“1”，DNA单链<s_g s_h T^ g h>与DNA双链<j>[N^* k]{T^]:[c d T^]:[g h T^]<l>发生链置换反应，置换出的DNA单链<g h T^ l>与DNA双链{T^*}[l T^]<flour2>发生链置换反应，置换出DNA单链<l T^ flour2>，代表运算结果为逻辑“1”。