摘要
计算机作为一种高效的信息处理工具，不仅提高了工作效率，还从经济和科学技术等方面推动社会的发展。传统计算机通常以硅基材料作为基础，以物理性质符号变换作为技术支撑，实现批量信息处理的功能。这种硅基计算机在智能运算领域具有优势，但在分子水平的信息处理方面仍能提升。 以纳米生物材料为引领，与信息科学相交叉的DNA计算为分子水平的信息处理提供了全新的研究视角与发展方向。时序逻辑电路是DNA计算在分子水平上处理带有历史状态和时序特征信息的核心组成部分。构建时序逻辑电路可以进一步扩展分子电路对历史复杂决策的处理功能，为在时间维度上实现对纳米器件的精准调控奠定了基础。由于特殊的空间构型，λ核酸外切酶能够选择性地水解具有磷酸化修饰的链，其独特的水解方式和水解条件为构建逻辑电路提供了强有力的工具。因此，本文提出一种基于λ核酸外切酶构建时序逻辑电路的方法，具体工作安排如下: (1)构建了基于λ核酸外切酶的基本逻辑电路。首先基于λ核酸外切酶对5''磷酸化DNA双链的高度选择性设计了 Yes逻辑电路。由于输入信号可触发λ核酸外切酶的水解，保证了输入输出的独立，使其输入输出序列具有正交性，避免产生串扰。然后，针对水解效果和泄漏问题，从酶的浓度、反应温度、pH值和悬垂端的长度四方面优化了电路的鲁棒性。最后，成功构建了基于 λ核酸外切酶的Yes逻辑电路，该电路具有催化放大特性，仅需少量的输入即可产生大量的输出信号，为实现高性能的时序逻辑电路奠定了基础。 (2)实现了信号控制功能并构建了时序逻辑电路。首先构建了基于 λ核酸外切酶的Inhibit逻辑电路，并且验证不同输入组合下，抑制信号对激活信号的控制效果。其次，受交叉抑制思想的指导，构建了时序逻辑电路。该电路允许第一个输入信号抑制第二个输入信号产生输出，从而能够检测两个输入的相对顺序。最后为实现良好的信号控制功能，深入研究了信号的输入时间间隔以及酶的浓度对抑制效果的影响。本研究设计的时序逻辑电路具有信号控制和输入顺序检测的功能，在生物传感、大规模集成电路和生物医学等领域有广泛的应用场景。
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