利用DNA配对的特异性和可预测性，可以将DNA作为构建分子逻辑器件的理想材料。大连理工大学的魏小鹏、张强和大连大学的周士华团队开发了一种基于切口酶的半加器和半减器。该团队选择两种酶：Nt.BbvCI和Nb.BtsI建立了一个小切口酶平台，在此酶平台的基础上，构建了一种内部信号灵活的异或门，并使用相同的酶构建了与门和禁止门，进而实现了半加、半减的算法过程。
图1(A)切口酶持续催化底物示意图。(B)两种切口酶Nt.BbvCI和Nb.BtsI示意图。
切口酶与DNA反应环境基本相同，并且具有独特的切割特性。切口酶不直接断裂DNA双链，而是在双链DNA的一侧产生一个切口。如图1A所示，切口酶催化底物1后，可直接用于催化底物2或更多底物。在此期间不需要任何协助或调整。这种持续性保证了切口酶可以长期和稳定地用于逻辑操作。如图1B所示，作者最后选择了两种酶：Nt.BbvCI和Nb.BtsI。这两种酶可以同时高效催化底物，而不会相互影响，满足温度、溶液环境和浓度等基本要求，同时满足持续性和相容性等强度要求。
图2(A)异或门的逻辑电路。(B)异或门的动力学特性。(C)异或门的电泳图。(D)异或逻辑门的真值表。(E)异或逻辑门的所有底物和其他元件的名称。构建异或门：切口酶Nt.BbvCI和Nb.BtsI输入逻辑门，逻辑门由四个底物组成（其名称和DNA链上每个区域的名称如图2E所示），分为抑制部分和触发部分，抑制部分由用荧光团和猝灭剂标记两个底物ZF和YF组成。触发部分由另外两个底物ZT和YT组成。图3异或门的具体操作过程。(A)无输入条件下的反应过程(00)，由于没有固有链，因此没有发生链置换。(B)与Nt.BbvCI的反应过程(10)。YT的催化剂产物与YF反应，替换了一条由6-FAM荧光团标记的链(df)。(C)与Nb.BtsI的反应过程(01)。ZT的催化剂产物与ZF反应，替换了用6-FAM荧光团标记的一条链(ac)。(D)与Nb.BtsI和Nt.BbvCI的反应过程(11)。由于抑制部分的两个底物受到两种切口酶的限制，没有发生反应。异或门的具体操作过程如图3所示。整个反应过程包括两次催化切割反应和一次链置换反应。触发部分和抑制部分用切口酶进行不同类型的切割。触发部分的催化产物可以与产生输出的抑制部分的底物进行链置换反应。作者设计的异或门的特点是引入切口酶作为逻辑系统的输入，另一个特点是信号传输方式的转变。这种改进简化了逻辑系统结构。整个逻辑系统只由两部分组成，包含四个底物。逻辑操作仅通过两种反应来完成：切割反应和DNA链置换反应。这意味着反应时间缩短，反应更容易控制。图4(A)与门的原理及相应的逻辑电路。(B)与门的动力学特性。在每个反应中，当触发部分与其他底物混合时开始荧光测量。右侧标记为每条曲线对应的输入组合。混合后每分钟立即采集荧光强度。两种酶同时输入(11)荧光变化明显，表示输出为1。无输入(00)或单输入(10或01)均无明显荧光变化，表示输出为0。(C)与门的电泳图。(D)与门真值表。€所有底物和与门的其他组件的名称。图5(A)禁止门的原理及相应的逻辑电路。(B)抑制逻辑门的动力学特性。在每个反应中触发部分与其他底物混合的瞬间开始荧光测量。右侧标记为每条曲线对应的输入组合。混合后每分钟立即采集荧光强度。只有输入Nb.BtsI的反应(01)荧光变化明显，表示输出为1。其他输入条件(00)、(10)、(11)的反应，荧光变化不明显，表示输出为0。(C)禁止逻辑门的电泳图。(D)禁止门真值表。€禁止门的所有底物和其他元件的名称。构建与门和禁止门：在构建了异或门之后，作者继续构建与门和禁止门。对于与门，当且仅当两个酶输入都存在时，逻辑输出为1。在切口酶平台，输入的两种酶需要同时工作，缺少其中任何一种酶，所需要的反应就不会发生。与门的工作原理图如图4A所示。对于禁止门，当且仅当输入2本身在反应中存在时，逻辑输出为1。在切口酶平台输入Nt.BbvCI抑制逻辑系统，输入Nb.BtsI酶触发逻辑系统。禁止门的原理图如图5A所示。作者通过荧光跟踪(图4B、5B)和电泳(图4C、5C)证明了设计的与门和禁止门是可行的。图6(A)半加器原理及相应的逻辑电路。(B)半加器的真值表和动力学特征。(C)sum和carry都为0，即0+0=00。(D)sum输出为1，carry输出为0，即1+0=01。(E)sum输出为1，carry输出为0，即0+1=01。(F)sum输出为0，carry输出为1，表示1+1=10。结果显示半加器成功运行。构建半加器：作者基于切口酶平台将异或门和与门结合为半加器模型。异或门输出半加器的sum部分。与门输出半加器的carry部分。完整的半加器仅由六个底物组成。图6C-F为半加器的动力学特征，异或门(sum)和与门(carry)的输出分别用FAM和HEX的荧光变化来表示。FAM和HEX的荧光强度在没有酶输入时没有变化。此时计算结果为0+0=00(图6C)。当半加器仅输入Nt.BbvCI时，计算结果为1+0=01(图6D)。当半加器仅输入Nb.BtsI时，计算结果为0+1=01(图6E)。当Nt.BbvCI和Nb.BtsI均输入时，异或门输出为0，与门输出为1，计算结果为1+1=10(图6F)。图7(A)半减器原理及相应的逻辑电路。(B)半减器的真值表和动力学表征。(C)difference和borrow均为0，即0-0=00。(D)difference输出为1，borrow输出为0，即1-0=01。(E)difference输出为1，borrow输出为1，即0-1=11。(F)difference输出为0，borrow输出为0，即1-1=00。结果显示半减器成功运行。构建半减器：作者基于构建的切口酶平台将异或门与禁止门结合为半减器模型。异或门的输出为半减门的difference部分，禁止门的输出为半减门的borrow部分。作者将构建的异或门和禁止门混合在同一溶液中产生半减器。构建的半减器和构建的半加器一样只由六个底物组成。异或门(difference)和禁止门(borrow)的输出分别用FAM和ROX的荧光变化表示。图7C-F为半减器的动力学特征。在没有酶输入时，FAM和ROX的荧光强度没有变化。此时计算结果为0-0=00(图7C)。当只输入Nt.BbvCI时，异或门输出为1，禁止门输出为0。结果为1-0=10(图7D)。当只输入Nb.BtsI时，异或门输出为1，禁止门输出也为1。计算结果为0-1=11(图7E)。当两种酶同时存在时，异或门输出为0，禁止门输出为0，计算结果为1-1=00(图7F)。亮点：1.切口酶的使用简化了分子逻辑器件的结构，显著缩短了响应时间，2.生物分子信号传输方式的转变简化了传输过程，使得生物分子信号的串行传输得以发展。声明：1.本文版权归原作者所有，
