一种搭建半加半减分子开关电路的方法

1.本发明涉及生物逻辑电路搭建的技术领域，尤其涉及一种搭建半加半减分子开关电路的方法，dna链置换技术利用分子开关来搭建逻辑电路。


背景技术：

2.dna链置换技术是一种高效的dna计算技术，它提供了丰富的智能工具箱，被广泛应用于解决许多计算问题，如np问题、信息加密、生物传感器、纳米机器和智能载药。随着dna链置换技术的快速发展，越来越多的dna逻辑电路被设计出来。1994年，adleman教授用dna计算模型在7天内成功地解决了定向哈密顿路径问题，展现了dna在处理数学难题方面的潜力；2006年，seelig等人基于dna链置换的反应体系，输出一条单链用于信号传递，还可控制输出双链结构，利用dna 链置换技术可构建dna逻辑系统以及复杂的逻辑门电路，为构建复杂混合逻辑电路提供了技术性支持；2011年，qian等人提出了双轨策略，设计了一种简单的dna逻辑门，把与、或、非、与非、或非、异或均使用一对与门及或门表示，促进了大规模逻辑电路的发展；2017年，zhang等人设计出了基于dna链置换反应的四位模拟计算，实现了加法、减法、乘法以及除法的基本运算。同年，fern等人基于dna链置换技术，设计出了延迟时间可调控的定时器分子电路；2019年，geng等人引入一个多输入多输出的dna开关平台，可以实现复杂的直流逻辑比较，这些基于dna的多功能开关分别包含两个发夹状分子信标和一个g4/nmm复合体，作为逐步实现2-3dc、3-3dc和4-3dc逻辑运算的平台。由此看来，利用dna链置换技术完成生物计算，研究生物技术与计算机技术的结合领域有着深远的意义。


技术实现要素：

3.针对当前处理小规模输入的dna电路已发展成熟，而构建大规模复杂电路时电路结构复杂，反应速度慢，参与链多且杂乱，缺乏模块性的技术问题，本发明提出一种搭建半加半减分子开关电路的方法，基于dna链置换构建dna开关电路，利用matlab里的simbiology仿真平台搭建开关电路模型，阐明了开关电路模型的反应机理，并达到了预期功能，验证了其可行性。
4.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种搭建半加半减分子开关电路的方法，包括如下步骤：
5.步骤一：基于dna链置换反应机制构建分子开关电路的基本结构；
6.步骤二：设计分子开关电路的dna链结构，设置dna链之间的反应速率和泄露速率，优化分子开关和输入信号的初始浓度，确定分子开关的级联功能，设置扇入分子开关电路和扇出分子开关电路；
7.步骤三：利用开关画布路由策略，基于扇入dna开关电路和扇出dna开关电路搭建半加半减分子开关电路，利用simbiology仿真平台验证其性能。
8.所述分子开关电路的基本结构包括输入端口的启动开关sg、接收上游信号的下游开关dw和荧光报告门report；分子开关电路的化学反应机理为：
9.x+sg
→
csx+sg(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
10.csx+dw
→
dw(off)+waste1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
11.dw(off)+y
→
csy+dw(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
12.csy+report
→
report(on)+waste2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
13.其中，反应式(1)为输入信号x与启动开关sg进行dna链置换反应，x、sg为参与反应物，csx、sg(on)为生成物，sg(on)代表启动开关sg闭合；反应式(2)为上游产生的电流信号链csx与下游开关dw进行dna链置换反应，生成新生成物dw(off)和废料waste1，dw(off)代表将下游开关dw由原本的阻塞状态转换为当前的断开状态；反应式(3)为处于断开状态的下游开关dw(off)与其对应的输入信号y进行dna链置换反应，生成新的信号链csy和dw(on)，下游开关dw被转换为闭合状态，记为dw(on)；反应式(4)为上游产生的电流信号链csy与荧光报告门report进行dna链置换反应，生成荧光链report(on)和废料waste2，其中report(on)代表当前报告门report闭合，将输出信号的浓度转换为了荧光输出；
14.当输入信号x后，启动开关sg裸露的小立足点与输入信号x配对后输出电流信号链csx和无任何立足点的dna双链即生成物sg(on)，生成物sg(on)类似于启动开关sg的闭合；下游开关dw接收到传递来的电流信号链csx后产生dna链置换反应，将其自身的阻塞状态更改为断开状态dw(off)，当下游开关的输入信号链y到来后，可将下游开关dw的断开状态更改为闭合状态dw(on)，产生的电流信号链csy被传递给荧光报告门report后进行荧光检测，产生一条荧光信号链report(on)和一条废料waste2，完成了上下游开关串联连接下的信号传输。
15.所述反应式(1)中，设计输入信号x的dna单链结构为《m1^a1^a2^m2^m3^》，启动开关sg的dna双链结构为《r2^r1 r2^》[m1^a1^a2^m2^]{m3^*}，生成物csx的dna单链结构为《r2^r1 r2^m1^a1^a2^m2^》，闭合开关sg(on)的dna双链结构为[m1^a1^a2^m2^m3^]；所述反应式(2)中，下游开关dw的dna双链结构为《e3^b3 e4^》[e1^b1^b2^]:[e5^r2^r1 r2^]{m1^*}，生成物dw(off)的dna双链结构为《e3^b3 e4^》[e1^b1^b2^]:{e5^}:[r2^r1 r2^m1^]《a1^a2^m2^》；所述反应式(3)中，输入信号y的dna单链结构为《e1^b1^b2^e5^》，输入信号y与生成物dw(off)发生dna链置换反应后，生成物csy的dna单链结构为《e3^b3^e4^e1^b1^b2^》，生成物dw(on)的dna双链结构为[e1^b1^b2^e5^]:[r2^r1 r2^m1^]《a1^a2^m2^》；所述反应式(4)中，荧光报告门report的dna双链结构为[e1^b3 e4^]{e1^*}，生成物report(on)的dna双链结构为[e1^b3 e4^e1^]{b1^b2^}；其中，a1、a2、m2、r1、r2、e3、e4、b1、b2、b3为结构域，e1、m1、m3、e5为小支点域，《》表示dna链的上链结构部分，[]表示dna链已互补配对过的双链结构部分，:表示用来连接两部分双链结构域，{}表示dna链的下链结构部分，^用来标记上链结构域，^*用来标记下链结构域。
[0016]
所述步骤二中分子开关电路的反应速率设置为1.0e-4nms-1
，阻塞状态的开关泄漏速率设为1.0e-6nm-1
s-1
，断开状态的开关泄漏速率设为5.0e-6nm-1
s-1
；设置输入信号x的浓度为启动开关sg浓度的2倍；若上游开关sg与下游开关dw串联，将分子开关sg:dw的初始浓度比设置为1.5x:1x，其中x＝100nm。
[0017]
所述扇入分子开关电路包括2-扇入分子开关电路、3-扇入分子开关电路以及n-扇入分子开关电路；所述分子开关电路的扇入功能实现将上游开关传递的若干个电流信号聚合成一个电流信号的作用。2-扇入分子开关电路包括上游开关dw1、dw2和下游开关sg1，上游
的dna单链结构为《r2^r1 r2^m1^a1^a2^m2^》；所述反应式(11)-(12)中下游开关dw3和dw4的dna双链结构分别为《e3^b3 e4^》[e1^b1^b2^]:[e5^r2^r1 r2^]{m1^*}和《e3^b3 e4^》[e1^b1^b2^]:[e6^r2^r1 r2^]{m1^*}；反应式(13)-(14)中的输入信号y1和y2的dna单链结构分别为《e1^b1^b2^e5^》和《e1^b1^b2^e6^》，生成的电流信号链cs为《e3^b3 e4^e1^b1^b2^》；其中，a1、a2、m2、e1、e4、r1、r2、b1、b2、b3为结构域，m1、m3、e5、e6为小支点域，《》表示dna链的上链结构部分，[]表示dna链已互补配对过的双链结构部分，:表示用来连接两部分双链结构域，{}表示dna链的下链结构部分，^用来标记上链结构域，^*用来标记下链结构域；
[0030]
所述上游开关sg2的初始浓度设置为1.5x，下游开关dw3和dw4的初始浓度设置为1x，所有输入信号的初始浓度均设为分子开关初始浓度的2倍，对应上游开关sg2的输入信号x的初始浓度需设置为3x。
[0031]
所述步骤三中构建半加半减分子开关电路的方法为：通过逻辑关系得到半加半减器的真值表，根据开关画布路由策略将半加半减器的功能转换为分子开关电路，根据分子开关电路的级联特征，设计分子开关序列，形成了两层11个分子开关的半加半减分子开关电路。
[0032]
所述半加半减分子开关电路包括输入端的启动开关sg1和sg2、中间下游开关dw
3-dw8、输出端下游开关dw
9-dw
11
以及两个荧光报告门report0和report1；半加半减分子开关电路的dna链置换反应过程为：
[0033]
启动开关sg1的闭合过程：
[0034]
x0+sg1→
csx0+sg1(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0035]
3-扇出分子开关电路的反应过程：
[0036]
csx0+dw3→
dw3(off)+waste1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0037]
csx0+dw5→
dw5(off)+waste2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0038]
csx0+dw7→
dw7(off)+waste3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0039]
其中，生成物waste1、waste2和waste3为废料，输入信号x0和启动开关sg1为参与物，sg1(on)和csx0为两个生成物；3-扇出分子开关电路将电流信号链csx0扇出3条后分别激活下游开关dw3、dw5和dw7，激活后的分子开关dw3、dw5和dw7由原来的阻塞状态转为断开状态dw3(off)、dw5(off)和dw7(off)，断开的下游开关dw3(off)、dw5(off)和dw7(off)裸露出中间小支点等待代表逻辑1的输入信号x1、代表逻辑0的输入信号x1'的到来，下游开关dw3(off)、dw5(off)和dw7(off)分别与对应输入信号x1'、x1'、x1产生化学反应的过程为：
[0040]
x1'+dw3(off)
→
csx1+dw3(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0041]
x1'+dw5(off)
→
csx2+dw5(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0042]
x1+dw7(off)
→
csx3+dw7(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0043]
其中，下游开关变成闭合状态dw3(on)、dw5(on)和dw7(on)，且生成的三条电流信号链csx1、csx2、csx3被分别传递到下游开关dw9、dw
10
和dw
11
处；
[0044]
启动开关sg2的闭合过程为：
[0045]
x0'+sg2→
csx4+sg2(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0046]
启动开关转换为闭合状态sg2(on)，生成的电流信号链csx4被分别传递到下游开关dw4、dw7和dw8，3-扇出分子开关电路的反应过程为：
[0047]
csx4+dw4→
dw4(off)+waste4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0048]
csx4+dw6→
dw6(off)+waste5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0049]
csx4+dw8→
dw8(off)+waste6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(25)
[0050]
其中，生成物waste4、waste5和waste6为废料，3-扇出分子开关电路将电流信号链csx4扇出3条电流信号链后分别激活下游开关dw4、dw6和dw8，激活后的下游开关dw4、dw6和dw8由原来的阻塞状态分别转为断开状态dw4(off)、dw6(off)、dw8(off)，裸露出中间小支点等待输入信号信号x1、x1'的到来，输入信号x1、x1'和x1分别与下游开关dw4(off)、dw6(off)、dw8(off)产生化学反应：
[0051]
x1+dw4(off)
→
csx1+dw4(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
[0052]
x1'+dw6(off)
→
csx2+dw6(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0053]
x1+dw8(off)
→
csx3+dw8(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)
[0054]
其中，生成的三条电流信号链csx1、csx2、csx3被分别传递到下游开关dw9、dw
10
和dw
11
处，电流信号链csx1、csx2、csx3分别激活下游开关dw9、dw
10
和dw
11
的过程为：
[0055]
csx1+dw9→
dw9(off)+waste7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)
[0056]
csx2+dw
10
→
dw
10
(off)+waste8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(30)
[0057]
csx3+dw
11
→
dw
11
(off)+waste9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(31)
[0058]
其中，激活后的下游开关dw9、dw
10
和dw
11
分别由原来的阻塞状态转为断开状态dw9(off)、dw
10
(off)和dw
11
(off)，裸露出中间小支点等待输入信号x2、x2'的到来，输入信号x2、x2、x2'分别与激活后的下游开关dw9(off)、dw
10
(off)和dw
11
(off)产生化学反应的过程为：
[0059]
x2+dw9(off)
→
csx5+dw9(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(32)
[0060]
x2+dw
10
(off)
→
csx6+dw
10
(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(33)
[0061]
x2'+dw
11
(off)
→
csx6+dw
11
(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(34)
[0062]
其中，生成两条新的电流信号链csx5、csx6，下游开关由断开状态分别变成闭合状态dw9(on)、dw
10
(on)、dw
11
(on)；电流信号链csx5、csx6分别与荧光报告门report0和report1的反应过程为：
[0063]
csx5+report0→
report0(on)+waste
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(35)
[0064]
csx6+report1→
report1(on)+waste
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(36)
[0065]
其中，产生两条高浓度的荧光信号链report0(on)和report1(on)；
[0066]
半加半减分子开关电路的分子开关的初始浓度设置为1xnm，x代表100，输入信号x0、x1、x2的初始浓度均设置为2xnm，分子开关的各级浓度比设置为5:1.5:1。
[0067]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0068]
1.本发明利用dna链置换技术构建了分子开关电路，设计了分子开关链结构，同时对各级分子开关的浓度比进行优化，验证了分子开关具备与、或、扇入扇出等级联功能。
[0069]
2.本发明采用开关画布路由策略与dna链置换技术结合，成功地使用dna开关电路实现了半加半减逻辑运算。
[0070]
3.本发明将dna开关电路与现有的双轨策略对比，dna开关电路用简单的分子序列结构代替复杂的逻辑门搭建过程，在提高反应速度的同时，有效简化电路规模。
附图说明
[0071]
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。
[0072]
图1为本发明的分子开关电路搭建的流程图。
[0073]
图2为本发明的分子开关的反应机理图。
[0074]
图3为本发明的半加半减开关电路的示意图。
[0075]
图4为本发明的半加半减开关电路的分子序列示意图。
[0076]
图5为本发明在simbiology仿真平台中的模拟仿真结果。
[0077]
图6为本发明的半加半减开关电路的仿真图，其中，(a)为x0x1x2＝000且y0y1＝00，(b)为x0x1x2＝001且y0y1＝01，(c)为x0x1x2＝010且y0y1＝01，(d)为x0x1x2＝011且y0y1＝10，(e)为x0x1x2＝100且y0y1＝00，(f)为x0x1x2＝101且y0y1＝11，(g)为x0x1x2＝110且y0y1＝01，(h)为x0x1x2＝111且y0y1＝00。
具体实施方式
[0078]
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。
[0079]
如图1所示，一种搭建半加半减分子开关电路的方法的具体实施步骤如下：
[0080]
步骤一：基于dna链置换反应机制构建分子开关电路的基本结构。
[0081]
基于dna链置换反应机制是dna单链与dna双链在裸露的小支点的作用下进行碱基配对，从而置换出新的dna产物。
[0082]
分子开关电路的基本结构主要由三部分组成，分别为输入端口的启动开关sg，接收上游信号的下游开关dw和荧光报告门report，其原理主要基于dna链置换的反应机制，使dna单链和dna双链在双方裸露的小支点互补配对下，置换出新的dna产物。分子开关电路的化学反应机理如下：
[0083]
x+sg
→
csx+sg(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0084]
csx+dw
→
dw(off)+waste1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0085]
dw(off)+y
→
csy+dw(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0086]
csy+report
→
report(on)+waste2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0087]
其中，反应式(1)为输入信号x单链与启动开关sg双链进行链置换反应，其中箭头左侧x、sg为参与反应物，箭头右侧csx、sg(on)为生成物。反应式(2)箭头左侧为上游产生的电流信号链csx与下游开关dw双链进行链置换反应，箭头右侧为新生成物dw(off)和废料waste1。反应式(3)左侧为下游开关dw(off)与其对应的输入链y进行链置换反应，csy、dw(on)为反应后的新生成物。反应式(4)为上游产生的电流信号链csy与荧光报告门report进行dna链置换反应，生成新的生成物report(on)和废料waste2。
[0088]
反应过程如图2所示，反应式(1)中，设计输入信号x的dna单链结构为《m1^a1^a2^m2^m3^》，启动开关sg的dna双链结构设计为《r2^r1 r2^》[m1^a1^a2^m2^]{m3^*}，生成物csx的dna单链结构为《r2^r1 r2^m1^a1^a2^m2^》，闭合开关sg(on)的dna双链结构为[m1^a1
^a2^m2^m3^]。反应式(2)中，下游开关dw的dna双链结构设计为《e3^b3 e4^》[e1^b1^b2^]:[e5^r2^r1 r2^]{m1^*}，生成物dw(off)的dna双链结构为《e3^b3 e4^》[e1^b1^b2^]:{e5^}:[r2^r1 r2^m1^]《a1^a2^m2^》。反应式(3)中，输入信号y的dna单链结构设计为《e1^b1^b2^e5^》，与生成物dw(off)发生化学反应后，生成物csy的dna单链结构为《e3^b3^e4^e1^b1^b2^》，生成物dw(on)的dna双链结构为[e1^b1^b2^e5^]:[r2^r1 r2^m1^]《a1^a2^m2^》。反应式(4)中，荧光报告门report的dna双链结构设计为[e1^b3 e4^]{e1^*}，生成物report(on)的双链结构为[e1^b3 e4^e1^]{b1^b2^}。其中，a1、a2、m2、r1、r2、e3、e4、b1、b2、b3为结构域，e1、m1、m3、e5为小支点域，《》表示dna链的上链结构部分，[]表示dna链已互补配对过的双链结构部分，:表示用来连接两部分双链结构域，{}表示dna链的下链结构部分，^用来标记上链结构域，^*用来标记下链结构域。
[0089]
当输入信号x后，启动开关sg裸露的5nt的小立足点与输入信号x配对后输出电流信号链csx和无任何立足点的双链sg(on)，类似于启动开关sg的闭合。下游开关dw接收到传递来的电流信号链csx后，产生dna链置换反应，将其自身的阻塞状态更改为断开状态dw(off)，当下游开关的输入信号链y到来后，可将下游开关dw的状态更改为闭合状态dw(on)，产生的电流信号链csy被传递给荧光报告门report后进行荧光检测，产生一条荧光信号链report(on)和一条废料waste2。此过程完成了上下游开关串联连接下的信号传输。
[0090]
步骤二：设计分子开关电路的dna链结构，设置dna链之间的反应速率和泄露速率，对分子开关和输入信号的初始浓度进行优化，设置扇入dna开关电路和扇出dna开关电路并在simbiology平台仿真验证单个分子开关电路通断过程和分子开关电路的串联、扇入扇出功能。
[0091]
分子开关电路的反应速率、泄露速率以及初始浓度比设置。分子开关电路的反应速率设置为1.0e-4nms-1
，阻塞状态的下游开关泄漏速率设为1.0e-6nm-1
s-1
，断开状态的下游开关泄漏速率设为5.0e-6nm-1
s-1
。同时对分子开关电路和输入信号的初始浓度进行了优化，主要对单个分子开关电路、串联分子开关电路以及扇入扇出分子开关电路的浓度比进行优化。
[0092]
单个分子开关电路的反应方程式如下：
[0093]
2x+sg
→
csx+sg(on)
ꢀꢀ
(5)
[0094]
反应式(5)中，设置输入信号x的浓度为启动开关sg浓度的2倍，启动开关sg在收到输入信号x后得到高浓度的电流信号csx的荧光输出，经过仿真对比，电流信号链csx的浓度输出明显高于1倍的输入信号浓度设置即反应式(1)。
[0095]
若上游开关sg与下游开关dw串联，将sg:dw的初始浓度比设置为1.5:1时，经过仿真对比，反应时间比浓度比设置为1:1时消耗的要少，同时输出信号链的浓度更高，原因在于反应过程中，上游开关sg的浓度会逐渐降低，导致下游开关dw的浓度产量不足，设置更高的上游开关浓度有利于下游信号的高浓度输出。因此为达到更高的浓度产量输出，上游开关sg的浓度设置要比下游开关dw的高。
[0096]
分子开关电路的扇入功能实现将上游开关传递的若干个电流信号聚合成一个电流信号的作用。2-扇入dna开关电路主要由上游开关dw1、dw2和下游开关sg1组成，上游开关dw1、dw2相互并联后与下游开关sg1串联。3-扇入dna开关电路以及n-扇入dna开关电路的功能与2-扇入dna开关电路的反应机理类似，区别仅为需要扇入的电流信号链数量不同。2-扇
入dna开关电路的反应方程式如下：
[0097]
x1+dw1→
cs1+dw1(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0098]
x2+dw2→
cs1+dw2(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0099]
cs1+sg1→
sg1(off)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0100]
y+sg1(off)
→
cs+sg(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0101]
反应式(6)和反应式(7)中，设计输入信号x1和x2的dna单链结构分别为《m1^a1^a2^m2^m3^》和《m1^a1^a2^m2^n3^》，上游开关dw1和dw2的dna双链结构分别设计为《r2^r1 r2^》[m1^a1^a2^m2^]{m3^*}和《r2^r1 r2^》[m1^a1^a2^m2^]{n3^*}，生成物cs1的dna单链结构为《r2^r1 r2^m1^a1^a2^m2^》。反应式(8)中下游开关sg1的dna双链结构为《e3^b3 e4^》[e1^b1^b2^]:[e5^r2^r1 r2^]{m1^*}；反应式(9)中的输入信号链y的结构为《e1^b1^b2^e5^》，生成的电流信号链cs为《e3^b3 e4^e1^b1^b2^》。当上游开关dw1或dw2单独接收到或同时接收到输入信号x1或x2时，上游开关dw1或dw2切换到on状态，由dna链置换反应产生的电流信号链cs1传递到下游开关sg1处并激活下游开关sg1，sg1的状态变为断开状态sg1(off)，当下游开关sg1接收到自身输入信号链y后，扇出一条电流信号链cs。
[0102]
这里将上游开关dw1和dw2的初始浓度设置为1.5x，下游开关sg1的初始浓度设置为1x，所有输入信号链的初始浓度均设为分子开关初始浓度的2倍，比如上游开关dw1的初始浓度为1.5x，则对应上游开关dw1的输入信号x1的初始浓度需设置为3x。
[0103]
分子开关电路的扇出功能为完成将一个上游开关传递的电流信号链扇出为若干个逻辑值相同的电流信号链。2-扇出dna开关电路主要由一个上游开关sg2、两个相互并联的下游开关dw3和dw4组成，上游开关sg2与并联后的下游开关dw3、dw4相互串联。2-扇出dna开关电路的反应方程式如下：
[0104]
x+sg2→
cs1+sg2(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0105]
cs1+dw3→
cs3+dw3(off)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0106]
cs1+dw4→
cs4+dw4(off)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0107]
y1+dw3(off)
→
cs+dw3(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0108]
y2+dw4(off)
→
cs+dw4(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0109]
其中，反应式(10)中，设计输入信号x的dna单链结构为《m1^a1^a2^m2^m3^》，上游开关sg2的双链结构设计为《r2^r1 r2^》[m1^a1^a2^m2^]{m3^*}，生成物cs1的单链结构为《r2^r1 r2^m1^a1^a2^m2^》。反应式(11)-(12)中下游开关dw3和dw4的dna双链结构分别为《e3^b3 e4^》[e1^b1^b2^]:[e5^r2^r1 r2^]{m1^*}和《e3^b3 e4^》[e1^b1^b2^]:[e6^r2^r1 r2^]{m1^*}；反应式(13)-(14)中的输入信号y1和y2的dna链结构为《e1^b1^b2^e5^》和《e1^b1^b2^e6^》，生成的电流信号cs为《e3^b3 e4^e1^b1^b2^》。上游开关sg2在输入信号x作用下产生电流信号链cs1，此电流信号链同时被传递到下游开关dw3和dw4处并激活它们，下游开关dw3和dw4的状态变为断开状态dw3(off)和dw4(off)，dw3(off)和dw4(off)与分别其对应的输入信号y1和y2产生化学反应，可输出相同逻辑值的电流信号链cs。
[0110]
本发明将上游开关sg2的初始浓度设置为1.5x，下游开关dw3和dw4的初始浓度设置为1x，所有输入信号的初始浓度均设为分子开关初始浓度的2倍，比如上游开关sg2的初始浓度为1.5x，则对应上游开关sg2的输入信号x的初始浓度需设置为3x。
[0111]
步骤三：利用开关画布路由策略，基于扇入dna开关电路和扇出dna开关电路搭建
半加半减分子开关电路。
[0112]
如图3所示，开关画布路由策略是一个具有互补开关对的可编程开关画布，将半加半减器的真值表与开关画布的互补开关对相结合，给出了半加半减器的开关电路。开关画布上每个水平开关x0、x1、x2接收表示逻辑“1”的输入信号，每个垂直开关x0'、x1'、x2'接收表示逻辑“0”的输入信号。将真值表中输出值等于1的输入组合被映射为画布上的实线路径，而输出值等于0的输入组合映射为画布上的虚线路径。对实线路径进行组合整理后，可得到一个2层11个开关组成的开关电路，开关电路从左到右延伸的深度为3，正好为输入端个数，右侧y0、y1为开关电路的输出端。
[0113]
构建半加半减分子开关电路，主要结合步骤二分子开关电路的串并联和扇入扇出级联特性，设计每个分子开关链结构来实现。dna分子开关电路由四部分组成，输入端的启动开关sg1和sg2、中间下游开关dw
3-dw8、输出端下游开关dw
9-dw
11
以及两个荧光报告门report0和report1。输入信号x0、x0'的链结构分别设计为《m1^a1^a2^m2^m3^》和《m4^a1^a2^m5^m6^》，输入信号x1、x1'的链结构分别设计为《e1^b1^e2^e8^》和《e1^b1^e2^e4^》，输入信号x2、x2'的链结构分别设计为《k1^c1^c2^k2^》和《k1^c1^c2^k4^》；启动开关sg1和sg2的链结构分别设计为《r2^r1 r2^》[m1^a1^a2^m2^]{m3^*}和《r4^r3 r4^》[m4^a1^a2^m5^]{m6^*}，下游开关dw3、dw5和dw6的链结构分别设计为《g1^a3 g2^》[e1^b1^e2^]:[e4^r2^r1 r2^]{m1^*}、《g3^a4 g4^》[e1^b1^e2^]:[e4^r2^r1 r2^]{m1^*}和《g5^a5 g6^》[e1^b1^e2^]:[e8^r2^r1 r2^]{m1^*}，下游开关dw4、dw7和dw8的链结构设计为《g1^a3 g2^》[e1^b1^e2^]:[e8^r4^r3 r4^]{m4^*}、《g3^a4 g4^》[e1^b1^e2^]:[e4^r4^r3 r4^]{m4^*}和《g5^a5g6^》[e1^b1^e2^]:[e8^r4^r3 r4^]{m4^*}，下游开关dw9、dw
10
、dw
11
的链结构设计为《p1^b2p2^》[k1^c1^c2^]:[k2^g1^a3 g2^]{e1^*}和《p3^b4 p4^》[k1^c1^c2^]:[k4^g5^a5 g6^]{e1^*}。其中，m1、m3、m4、m6、e1、e4、e8、k1、k2、k4为小支点域，a1、a2、a3、a4、a5、b1、b2、b4、e2、r1、r2、r3、r4、g1、g2、g3、g4、g5、g6、p1、p2、p3、p4为结构域，《》表示dna链的上链结构部分，[]表示dna链已互补配对过的双链结构部分，:表示用来连接两部分双链结构域，{}表示dna链的下链结构部分，^用来标记上链结构域，^*用来标记下链结构域。
[0114]
启动开关sg1经过扇出门后将与下游开关dw3、dw5和dw6完成串联，dw3、dw5和dw6分别与dw9、dw
10
、dw
11
串联。启动开关sg2经过扇出门后将与下游开关dw4、dw7和dw8完成串联，dw4、dw7和dw8分别与dw9、dw
10
、dw
11
串联。当启动开关sg1接收到输入信号链后，经过链置换后输出一条电流信号链，这条电流信号链被传递给下游的开关dw3、dw5和dw6，将它们从阻塞状态变为断开状态dw3(off)、dw5(off)和dw6(off)，当开关dw3、dw5和dw6接收到对应自身的输入信号后，会由断开状态变为闭合状态，如果没有对应的输入信号进入，将保持断开状态。sg2启动开关以及下游开关dw4、dw7和dw8的动作过程与上面一致。整个开关动作完成后，最终会在分子开关电路的最右端得到所需的电流信号链，此电流信号链经过荧光报告门后转换为一条荧光信号链输出。
[0115]
半加半减分子开关电路的结构如图4所示，它的链置换反应具体过程如下：
[0116]
x0+sg1→
csx0+sg1(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0117]
csx0+dw3→
dw3(off)+waste1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0118]
csx0+dw5→
dw5(off)+waste2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0119]
csx0+dw7→
dw7(off)+waste3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0120]
其中，反应式(15)为分子开关sg1的闭合过程，x0和sg1为参与物，sg(on)和csx0为两个生成物，csx0被3扇出后传递到下游的开关dw3、dw5和dw7处。反应式(16)～(18)为3-扇出模块即3-扇出dna开关电路，将电流信号csx0扇出3条后分别激活下游开关dw3、dw5和dw7的分子开关。激活后的分子开关dw3、dw5和dw7由原来的阻塞状态转为断开状态dw3(off)、dw5(off)和dw7(off)，断开的下游开关dw3(off)、dw5(off)和dw7(off)裸露出中间小支点等待输入信号链x1(代表逻辑1)、x1'(代表逻辑0)的到来，反应式为：
[0121]
x1'+dw3(off)
→
csx1+dw3(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0122]
x1'+dw5(off)
→
csx2+dw5(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0123]
x1+dw7(off)
→
csx3+dw7(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0124]
其中，反应式(19)-(21)为激活后的下游开关dw3、dw5和dw7与对应输入信号x1、x1'产生化学反应的过程，生成的三条电流信号链csx1、csx2、csx3被分别传递到下游开关dw9、dw
10
和dw
11
处。
[0125]
x0'+sg2→
csx4+sg2(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0126]
csx4+dw4→
dw4(off)+waste4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0127]
csx4+dw6→
dw6(off)+waste5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0128]
csx4+dw8→
dw8(off)+waste6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(25)
[0129]
其中，反应式(22)为启动开关sg2的闭合过程，生成的电流信号链csx4被传递到下游开关dw4、dw6和dw8处。反应式(23)～(25)为3扇出模块即3-扇出dna开关电路，将电流信号链csx4扇出3条电流信号链后分别激活下游开关dw4、dw6和dw8。激活后的下游开关dw4、dw6和dw8由原来的阻塞状态转为断开状态，裸露出中间小支点等待输入信号信号x1、x1'的到来，并发生反应：
[0130]
x1+dw4(off)
→
csx1+dw4(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
[0131]
x1'+dw6(off)
→
csx2+dw6(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0132]
x1+dw8(off)
→
csx3+dw8(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)
[0133]
其中反应式(26)～(28)为输入链x1、x1'与激活后的下游开关dw4、dw6和dw8产生化学反应的过程，经过反应生成的三条电流信号链csx1、csx2、csx3被传递到下游开关dw9、dw
10
和dw
11
处。
[0134]
csx1+dw9→
dw9(off)+waste7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)
[0135]
csx2+dw
10
→
dw
10
(off)+waste8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(30)
[0136]
csx3+dw
11
→
dw
11
(off)+waste9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(31)
[0137]
反应式(29)～(31)为上游电流信号csx1、csx2、csx3激活下游开关dw9、dw
10
和dw
11
的过程。激活后的下游开关dw9、dw
10
和dw
11
由原来的阻塞状态转为断开状态，裸露出中间小支点等待输入信号链x2、x2'的到来。
[0138]
x2+dw9(off)
→
csx5+dw9(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(32)
[0139]
x2+dw
10
(off)
→
csx6+dw
10
(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(33)
[0140]
x2'+dw
11
(off)
→
csx6+dw
11
(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(34)
[0141]
其中，反应式(32)～(34)为输入信号x2、x2'与激活后的下游开关dw9、dw
10
和dw
11
产生化学反应的过程，生成两条新的电流信号链csx5、csx6。
[0142]
csx5+report0→
report0(on)+waste
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(35)
[0143]
csx6+report1→
report1(on)+waste
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(36)
[0144]
其中，反应式(35)～(36)为两条电流信号链csx5、csx6与荧光报告门report0和report1的反应过程，最终产生两条高浓度的荧光信号链report0(on)和report1(on)。
[0145]
半加半减分子开关电路的dna开关电路模型在matlab里的simbiology仿真平台中进行了模拟仿真，如图5所示。采用massaction为所有反应的动态反应定律。整个反应过程设置dna化学反应速率为1.0e-4nms-1
，阻塞状态的开关泄漏速率设为1.0e-6nm-1
s-1
，断开状态的开关泄漏速率设为5.0e-6nm-1
s-1
，分子开关的初始浓度设置为1xnm(1x代表100)。半加半减分子开关电路中所有信号链的浓度设置如下表所示：
[0146][0147][0148]
仿真结果如图5所示，当输入信号x0x1x2为000时，输出端y0y1产生了两条浓度低于0.2x nm荧光信号链，说明输出运算结果为“00”；当输入信号x0x1x2为001时，输出端y1产生了一条高浓度荧光信号链，600秒左右到达平衡，说明结果为“1”；而输出端y0产生一条低浓度荧光曲线，表明结果为“0”，说明输出运算结果为“01”。当输入信号x0x1x2为010时，输出端y1产生了一条高浓度荧光信号链，600秒左右到达平衡，说明结果为“1”；而输出端y0产生一条低浓度荧光曲线，表明结果为“0”，说明输出运算结果为“01”；当输入信号x0x1x2为011时，输出端y0产生了一条高浓度荧光信号链，600秒左右到达平衡，说明结果为“1”；而输出端y1产生一条低浓度荧光曲线，表明结果为“0”，说明输出运算结果为“10”；当输入信号x0x1x2为100时，输出端y0和y1均产生一条低浓度荧光曲线，说明输出运算结果为“00”；当输入信号x0x1x2为101时，输出端y0和y1均产生一条高浓度荧光曲线，说明输出运算结果为“11”；当输入信号x0x1x2为110时，输出端y1产生了一条高浓度荧光信号链，600秒左右到达平衡，说明结果为“1”；而输出端y0产生一条低浓度荧光曲线，表明结果为“0”，说明输出运算结果为“01”；当输入信号x0x1x2为111时，输出端y0y1产生了两条浓度低于0.2x nm荧光信号链，表明输出运算结果为“00”。
[0149]
以相同仿真条件下搭建双轨模式下的半加半减分子电路，在电路结构、反应时间以及参与链的数量上与dna开关电路进行了对比分析，具体内容如下：
[0150]
双轨策略构造的半加半减分子电路由16个逻辑门组成，而dna开关电路只需要11个开关，在结构上比双轨电路更简单。双轨逻辑电路在反应中有60多个参与反应物，dna开关电路的一次计算最多涉及26个反应物，反应物减少了近57％。反应时间上对比发现，双轨电路需要30000s以上的时间完成运算，而dna开关电路电路只需要600s。这些结果表明，与双轨电路相比，dna开关电路的反应物更少，运算速度快，结构更简单，在拓展生物计算领域方面具有更大的优势。