为了克服传统半导体器件的局限性，科研人员提出基于分子识别与组装的原理，构建分子逻辑体系。脱氧核糖核酸（DNA）以其可编辑与易设计的独特优势，在分子计算领域展现了良好的应用前景。然而，DNA分子逻辑体系在发展的过程中不可避免地会遇到诸多关键性科学问题。例如，大部分具有多个输出信号的逻辑器件须借助于共价标记的信号分子（例如染料），而这种共价标记的方式直接导致了时间的浪费和较高的成本；为了产生一个以上的输出信号，很多逻辑体系须引入众多其他类型的物质（如不稳定的过氧化氢等），而这些物质增加了逻辑平台的复杂性，不仅影响运算操作的重复性，而且严重不利于多种分子逻辑器件的级联组装；另外，不同DNA分子逻辑门的构建往往需要重新设计DNA序列，这也导致高成本和低效率。因此，开发经济有效且简单的DNA分子逻辑体系成为科研人员共同的目标。

中国科学院长春应用化学研究所汪尔康院士（点击查看介绍）研究团队近期利用一种新型发卡DNA为模板合成的银纳米簇（H-AgNCs）作为通用的双输出信号生成器，构建了多种具有相反功能的伴生逻辑门（CCLGs）（YES^NOT，OR^NOR，INHIBIT^IMPLICATION，XOR^XNOR和MAJORITY^MINORIT），以及多种扩展型级联逻辑线路，如生活中用来监控数据传输中错误信息的奇偶生成技术，即奇偶产生器（parity generators）与奇偶校验器（parity checkers）。

H-AgNCs作为一种非共价（免标记）信号传导平台，它的引入避免了繁琐和高成本的标记过程，且赋予了CCLGs独有的伴生特征。这种特征节约了设计多重逻辑线路的时间和成本。相较于前人的工作，本项设计无须大量物质（如有机染料）和不稳定成分（如过氧化氢）的辅助，这不仅降低了逻辑平台的复杂性，提高了逻辑运算的重复性，而且使得不同DNA分子逻辑体系的组合更为便利。总的来说，这一经济友好的策略将激励研究人员运用新型DNA编码的功能性材料，开发更复杂的分子逻辑运算体系，从而在分子计算领域获得突破性成果。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是中国科学院长春应用化学研究所硕士研究生吕朦朦和周玮珺博士。

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Illuminating Diverse Concomitant DNA Logic Gates and Concatenated Circuits with Hairpin DNA-Templated Silver Nanoclusters as Universal Dual-Output Generators

Mengmeng Lv, Weijun Zhou, Daoqing Fan, Yuchun Guo, Xiaoqing Zhu, Jiangtao Ren, Erkang Wang

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201908480

导师介绍

汪尔康

https://www.x-mol.com/university/faculty/15773