DNA分子作为生物的主要遗传物质遵循精准的碱基互补配对原则,具有良好的正交性,分子结构可设计性以及反应动态可控性。因此,DNA分子成为实现分子计算最有潜力的材料之一。特别是,遵循这些简单而精确的设计规则的DNA链置换反应系统,为构建常温下运行的复杂数字电路提供了重要工具。近年来,基于链置换反应的DNA计算已经可以实现多种多样的功能,包括早期用于解决NP问题,进行大规模数字计算,游戏决策,甚至进行手写笔记的模式识别。尽管基于DNA链置换反应的逻辑门电路已经达到了很高的复杂性,但如何提高运算速度以及如何进一步扩大实际可实现的计算任务仍然是一个挑战。本论文主要以DNA链置换反应为基础,设计DNA开关电路实现快速数字计算,进一步设计出双轨可编程逻辑门,并将其组合实现大规模和多样化的数字计算。最后利用DNA折纸具有空间限制能力,结合其精确的空间寻址能力,在DNA折纸表面构建分子反应网络,通过空间的隔离降低对DNA序列设计的要求,构建可编程的逻辑运算网络。主要研究内容如下:第一,DNA数字运算电路均基于逻辑门来实现,电路较为复杂,而随着参与反应的DNA链数目增加,其运算速度和信噪比均受到限制。针对这个问题,我们构建了一种模块化的DNA分子开关。从化学本质上看,逻辑门电路为四种输入组合呈现了不同的能量变化趋势。相比之下,开关电路中所有产生输出的输入组合的自由能逐步减小幅度非常接近。运算速度更快。基于此,该DNA开关电路在实验上可实现包括简单逻辑运算、扇入扇出结构、复杂组合逻辑电路、全加器、4 bit开根号运算等多种电路结构和功能。所有电路的运算时间均在10分钟以内,展示了迄今为止最快的复杂DNA数字运算。第二,利用DNA链置换反应的高正交性和可扩展性,我们开发了四种类型可寻址的双轨逻辑门（AND,OR,NOT和XOR）,每种类型为6个,可以通过接线指令自由连接,形成复杂的计算网络。同时双轨逻辑电路中构建四个输出单元,用于信号读取。通过24个不同的双轨逻辑门进行排列组合,可实现加法运算,减法运算,乘法运算等任意功能。并在高浓度下实现了包含高达500条DNA链的大规模计算。为设计可靠的大规模分子电路提供了范例,并为利用DNA或其他分子开发具有更强计算能力的生化机器开辟了新方向。第三,DNA折纸平台是一种理想的分子受限环境调控平台。在DNA折纸表面构建用于编程的发卡结构分子阵列,通过对阵列上DNA发夹的空间排列来创建逻辑门和信号传输线实现化学反应空间路径的编程,实现不同的逻辑功能。随后对逻辑功能的组合构建具有复杂运算能力的逻辑运算网络,实现分子阵列上的多功能运算。通过单分子全内反射荧光显微镜演示了跨不同长度和方向的传输线信号传播的结果。该设计将界面DNA计算与单分子荧光监测技术相结合,为构建具有可扩展性的大规模DNA计算电路提供一种新的思路。综上,此论文以DNA链置换反应为主体,构建了一种模块化的DNA分子开关,展示了迄今为止最快的复杂DNA数字运算。为DNA计算领域中运算时间长这一挑战找到新的思路。同时设计了四种类型可寻址的双轨逻辑门,通过分离和多阶段组装,可以在一个反应中减少相互作用的分子。从化学层面来看,使用分而治之的方法减少每个反应体系中相互作用的分子,实现逻辑运算所使用的链置换反应变少,解决了DNA电路规模难以扩展的问题。