近日，上海交通大学王飞、樊春海团队利用具有时间调控能力的DNA同步器，构建了一种单轨DNA逻辑电路。与已报道的双轨DNA电路相比，该单轨架构突破了无法支持多层NOT运算的根本限制，能够以最少数量的DNA逻辑门实现任意逻辑功能，实现了迄今为止最精简的4比特开方根运算电路。

DNA分子因其高度可编程性和优异的生物相容性，被视为发展分子仿生计算的重要信息材料。DNA计算利用DNA分子间的特异性反应实现数字运算，具有高并行性和高信息密度等独特优势。然而，传统DNA电路多采用双轨逻辑架构，无法支持非首层NOT运算，这导致实现相同逻辑功能所需的逻辑门数加倍，从而限制了单一体系中DNA电路复杂度。为突破这一瓶颈，研究团队提出在DNA逻辑电路中引入“分子级时序调控”的设计思路，构建了可灵活调控分子反应时序的嵌入式DNA同步器。该同步器通过与NOT门的逆转链瞬态结合，延期其信号的产生，使逆转信号能够与上游输出在时间上保持一致，从而有效避免单轨DNA电路中常见的假阳性输出，确保电路运行的准确性。

图1. DNA同步器的工作原理。

在此基础上，研究团队构建了迄今为止最精简的4比特开方根电路。该电路包含四个输入和两个输出，仅依靠五个DNA逻辑门即可完成运算，相比传统双轨架构所需的逻辑门数减少了一半。系统测试全部输入组合的结果表明，未引入DNA同步器的电路在输出通道中出现了较高水平的假阳性，而经同步器调控后则获得了完全正确的结果。这一成果不仅验证了DNA同步器在大规模电路中对并行和级联NOT门的鲁棒调控能力，也展示了单轨架构在保持紧凑性的同时实现复杂逻辑运算的潜力。

图2. 单轨4比特开方根电路。

单轨DNA电路作为一种能实现任意逻辑运算的精简型DNA计算架构，为DNA计算提供了类似电子电路时钟同步的机制。这一成果不仅推动了分子电路的基础研究，也为DNA计算在诊断检测、药物释放调控及智能纳米器件等领域的应用开辟了新的路径。相关研究成果近期以“Designing a DNA synchronizer for compact single-rail DNA logic circuits”为题发表于Science Advances，文章的第一作者是上海交通大学博士生孙晨蕴。

团队所在的上海交通大学DNA存储研究中心（网址https://dnastorage.sjtu.edu.cn/），于2021年作为上海交通大学融合集成创新基金交叉平台获批成立。中心直面大数据时代的国家重大战略，集中了上海交通大学核酸化学、化学生物学、人工智能和计算机系统等领域的优势力量组建多学科交叉研究中心，包括中科院院士3名，国家杰青3名，以及一批包括海外优青在内的青年学者。2021年，由中心主任樊春海院士联合谭蔚泓院士、黄岩谊、陈海波、左小磊等教授获得国家自然科学基金委“核酸信息材料”基础科学中心资助。中心致力于发展变革性信息材料、算法和集成平台，期望通过协同创新突破核酸信息材料的编码容量极限、宏量制备以及活细胞运算等瓶颈，攻克核酸分子基元与组装体的设计合成、核酸的分子网络与活细胞智能计算、DNA大数据存储系统等重大科学和技术问题，发展智能数据运算与海量数据存储的新方法与新技术，建成DNA存储研发的学术高地。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady8165