近日，上海交通大学变革性分子前沿科学中心、DNA存储研究中心王飞课题组利用最低限度的DNA链置换反应，构建了一种DNA多比特加法器。与已报道的基于DNA分子的 1-bit加法器电路相比，该全加器电路架构精简，可以用最少的DNA序列实现高信噪比和快速计算的二进制加法运算。他们展示了迄今为止运算能力最高的6位二进制加法运算。相关论文以“Scaling Up Multi-bit DNA Full Adder Circuits with Minimal Strand Displacement Reactions”为题发表于Journal of The American Chemical Society.

      多比特加法器件是电子计算机等计算设备的中央处理器（CPU）的核心部件之一，可执行逻辑操作、移位和指令调用。目前，基于晶体管的电子计算正一步步达到算力的极限。除了电子计算外，国内外科学家也发展了一些其他的计算范式，比如目前热门的量子计算、光子计算、DNA计算等。DNA计算旨在利用DNA分子反应来实现数字运算功能，具有高信息密度、并行性等特点。其中，DNA链置换反应自从2000年被Yurke教授提出以来，已经成为动态DNA自组装和DNA计算中一类重要的组成部分。研究人员利用DNA链置换反应可以构建了一系列逻辑门包括与门、或门、非门、异或门、与非门等。通过DNA逻辑门的进一步级联组合，可以构建出基于DNA分子的复杂逻辑电路，其中就包括1-bit全加器电路。然而，目前的DNA全加器电路存在电路架构复杂，DNA分子的使用数量过多，容易引发信号泄露等制约因素，同时由于DNA进位信号传递的欠缺，难以进一步拓展到多比特加法计算。通过对1-bit全加器电路的分析发现，电路结构可以通过一种XOR-AND双逻辑门（可以实现逻辑与和逻辑异或两种逻辑功能）被有效精简。通过设计这样一种可以实现双重逻辑的DNA逻辑门，构建了简单的DNA 1-bit加法器电路，为多比特加法器的实现奠定了基础。

图1. 基于DNA double-logic双逻辑门的全加器电路和多比特加法计算。

      该DNA双逻辑门仅由一个由两条DNA链杂交的双链分子构成，双链分子的两端是能响应两种输入DNA分子的粘性末端。当溶液中存在两个DNA输入分子后，发生协同链置换反应并置换出一条新的DNA链，这条链和DNA报告分子反应后产生与门的荧光输出信号。另外，当只有一个DNA输入分子存在时，协同链置换反应无法发生，该DNA输入分子被留在反应体系中，通过另一种DNA报告分子的读出，产生异或门的荧光输出信号。在全加器电路中，Sum(本位和)的输出可以理解为三个输入分别两两配对后执行异或门的计算结果，而Carry(进位)输出则是三个输入分别两两配对后执行与门的计算结果。基于这样一个算法架构，上述构建的基于协同链置换反应的DNA双逻辑门能很好地适配这一电路架构，进而以最低限度的链置换反应实现了1-bit全加器的逻辑功能。该DNA 1-bit全加器电路仅包含了13条DNA链，相比于其他已报道策略减少了90%以上的DNA分子的数量。进一步地，引入基于磁珠的进位传递反应后，分别实现了2-bit、4-bit、6-bit的多比特二进制加法运算。

图2. 基于DNA double-logic双逻辑门的全加器电路和多比特加法计算。

      DNA多比特加法器作为一种能实现多位二进制加法的DNA计算电路，为发展分子计算机和开发特定应用场景的逻辑电路提供了一种策略，同时也有望用于智能传感和疾病精准诊断应用。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c03258