阅读说明：本技术 基于dna链置换的代码锁双轨生化逻辑电路及实现方法 (Code lock double-track biochemical logic circuit based on DNA strand displacement and implementation method ) 是由 李玉榕 李吉祥 杨浩 于 2019-12-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于DNA链置换的代码锁双轨生化逻辑电路及实现方法,该电路包括输入二进制代码链X<Sub>1</Sub>、X<Sub>2</Sub>、X<Sub>3</Sub>、X<Sub>4</Sub>、二进制转换代码链X<Sub>0</Sub>、放大门、两输入集成门、四输入集成门、第一DNA阈值门、第二DNA阈值门和输出链K<Sub>0</Sub>、K<Sub>1</Sub>,每个输入二进制代码链都具有表示逻辑开和逻辑关的两种状态,输出链包括四种状态；放大门具有一个输入和两个输出,放大门中设有阈值并有多个燃料输出,输入信号的总浓度大于阈值浓度,则获得输出浓度信号1,否则输出浓度为0；两输入集成门包括两个输入和一个输出,四输入集成门包括四个输入和一个输出。该电路灵敏度和安全可靠性高。(The invention relates to a code lock double-track biochemical logic circuit based on DNA chain displacement and a realization method thereof, wherein the circuit comprises an input binary code chain X 1 、X 2 、X 3 、X 4 Binary translation code chain X 0 Amplifying gate, two-input integrated gate, four-input integrated gate, first DNA threshold gate, second DNA threshold gate and output chain K 0 、K 1 Each input binary code chain has two states representing logic on and logic off, and the output chain comprises four states; the amplification gate is provided with an input and two outputs, a threshold value is arranged in the amplification gate, a plurality of fuel outputs are arranged in the amplification gate, the total concentration of the input signals is greater than the threshold concentration, an output concentration signal 1 is obtained, and otherwise, the output concentration is 0; the two-input integrated gate includes two inputs and one output, and the four-input integrated gate includes four inputs and one output. The circuit has high sensitivity and safety reliability.)

基于DNA链置换的代码锁双轨生化逻辑电路及实现方法

技术领域

本发明属于生物计算机技术领域，具体涉及一种基于DNA链置换的代码锁双轨生化逻辑电路及实现方法。

背景技术

近年来，基于DNA的复杂逻辑计算得到了广泛的研究，并将作为一种新的研究方向在分子计算机中得到应用。在纳米技术飞速发展的前提下，DNA分子在生物计算机的发展中起着决定性作用。DNA计算已经解决了许多传统问题，例如哈密顿函数，传统电路尺寸问题和不完全问题等。实际上，DNA计算的目的是通过现代分子生物学理论来解决特定空间解决方案的问题，使用特定的DNA分子链作为输入信号，从而有足够的时间在试管溶液中进行反应。DNA的最有价值的特征是碱基配对的原理，这是DNA复制，转录和反转录的分子基础，也是遗传信息的传递和表达的分子基础。DNA自组装的动态链接技术是一些应用领域中的一种新的组装方法，具有可预测性和可编程性的优点，通过这种方法，人们已经利用DNA折纸设计了许多逻辑操作模型和纳米图形。另外，利用DNA链置换技术也获得了一些逻辑电路和仿真分析，DNA链置换技术是计算工具之一，在大型逻辑电路中，高低电平表示为布尔逻辑真或假。此外，通过在许多数学中解决应用问题的这些良好方面以及其他已解决的问题(如纳米、分子计算、诊断和治疗管理)提供了良好的技术支持。DNA纳米技术在其他领域也有强大的应用，这种采用DNA链替换的方法将具有广阔的应用前景，例如纳米生物信息处理的复杂逻辑操作，癌细胞治疗，DNA纳米分子机器人等。DNA载药结构的纳米分子空间结构的构建和DNA远程控制技术的发展，已成为许多科研人员需要逐步探索的新方向。从有关纳米技术的不同方面的说明中，可以清楚地看到DNA纳米技术在各个领域具有很强的科学研究价值和广阔的应用前景。

并且，生物计算机的发展离不开许多领域，生物逻辑电路的设计和研究在生物计算机中具有很大的应用价值。基于信息存储容量大，并行计算速度高和DNA分子可编程模拟的优点，由于操作简单，自发性，灵敏度，准确性等优点，DNA计算已被用于构建计算机。DNA链置换技术对于掌握基于DNA链置换反应的级联生化逻辑电路的设计方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于DNA链置换的代码锁双轨生化逻辑电路及实现方法，该电路灵敏度和安全可靠性高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于DNA链置换的代码锁双轨生化逻辑电路，包括输入二进制代码链X₁、X₂、X₃、X₄、二进制转换代码链X₀、放大门、两输入集成门、四输入集成门、第一DNA阈值门、第二DNA阈值门和输出链K₀、K₁，每个输入二进制代码链X₁、X₂、X₃、X₄和X₀都具有两种状态，表示逻辑开的状态为X₁ ¹、X₂ ¹、X₃ ¹、X₄ ¹和X₀ ¹，表示逻辑关的状态为X₁ ⁰、X₂ ⁰、X₃ ⁰、X₄ ⁰和X₀ ⁰，输出链K₀、K₁包括K₀ ⁰、K₀ ¹、K₁ ⁰、K₁ ¹四种状态；放大门具有一个输入和两个输出，放大门中设有阈值并有多个燃料输出，输入信号的总浓度大于阈值浓度，则获得输出浓度信号1，否则输出浓度为0；两输入集成门包括两个输入和一个输出，四输入集成门包括四个输入和一个输出；第一DNA阈值门的阈值浓度小于1nM，第二DNA阈值门的阈值浓度大于1nM；输入链X₀ ⁰与放大门Ⅰ相连接，输入链X₀ ¹与放大门Ⅱ相连接，输入链X₄ ⁰、输入链X₁ ⁰、输入链X₃ ¹、输入链X₂ ¹与四输入集成门Ⅰ相连接，输入链X₄ ¹、输入链X₃ ⁰、输入链X₂ ⁰、输入链X₁ ¹与四输入集成门Ⅱ相连接，四输入集成门Ⅰ经第一DNA阈值门与放大门Ⅲ相连接，四输入集成门Ⅱ经第一DNA阈值门与放大门Ⅳ相连接；放大门Ⅰ的第一输出端、放大门Ⅲ的第一输出端均与两输入集成门Ⅰ相连接，通过第二DNA阈值门后，获得输出信号K₁ ⁰；放大门Ⅰ的第二输出端、放大门Ⅳ的第二输出端均与两输入集成门Ⅲ相连接，通过第二DNA阈值门后，获得输出信号K₀ ¹；放大门Ⅱ的第一输出端、放大门Ⅳ的第一输出端均与两输入集成门Ⅱ相连接，通过第二DNA阈值门后，获得输出信号K₁ ¹；放大门Ⅱ的第二输出端、放大门Ⅲ的第二输出端均与两输入集成门Ⅳ相连接，通过第二DNA阈值门后，获得输出信号K₀ ⁰。

进一步地，所述放大门中燃料的初始浓度设定为输出信号绑定浓度的两倍；放大门的阈值浓度为0.2nM，放大门的燃料浓度为4nM；输入链的信号为1.2nM时，放大门的输出端的输出浓度为1nM。

进一步地，所述第一DNA阈值门的阈值浓度为0.6nM，第二DNA阈值门的阈值浓度为2.4nM。

本发明还提供了一种所述基于DNA链置换的代码锁双轨生化逻辑电路的实现方法，包括以下步骤：

1)DNA链置换反应中没有酶或转录机制的常温下实现，将输入链的末端结构域与部分信号链反应，并进行分支迁移，直到下一次双链中的单链被外界的单链取代，形成新的单链为输出链；

2)利用DNA链置换反应机制构建四种加密二进制代码和一个转换二进制代码输入的密码锁加密系统双轨生化逻辑电路输出信号为K₁、K₀的数字逻辑电路，数字逻辑电路中的逻辑运算状态分别用二进制数值0和1表示；

3)每个原始的输入信号都转换成两个状态相反的输入信号X₁ ¹、X₂ ¹、X₃ ¹、X₄ ¹、X₀ ¹和X₁ ⁰、X₂ ⁰、X₃ ⁰、X₄ ⁰、X₀ ⁰，输出信号输出运算结果K₁和K₀，使用没有低电平借位的四种加密二进制代码和一个转换二进制代码输入的密码锁加密系统操作运算的双轨逻辑电路计算两个不同的二进制数，得到基于DNA链置换的四种加密二进制代码和一个转换二进制代码输入的密码锁加密系统操作运算的双轨逻辑电路；

4)采用跷跷板电路作为分子逻辑电路单元的基本组成部分，将双轨逻辑电路中的逻辑门转化为均有输入信号链、输出信号链、阈值链和燃料链的跷跷板逻辑门，得到分子生化领域内的跷跷板逻辑电路；

5)基于DNA链置换反应机制将跷跷板逻辑电路进一步转化为跷跷板生化逻辑电路，即代码锁双轨生化逻辑电路。

进一步地，所述数字逻辑电路包括四个非逻辑门，三个与逻辑门，四个代码锁输入信号X₄、X₃、X₂、X₁和转换开关信号X₀，两种不同的输出信号，即是否锁定的状态信号K₁和是否发出警报的信号K₀；首先输入信号X₃经过第一个非门进行取反，输出一个对应值用R₁表示，输入信号X₂经过第二个非门进行取反，输出一个对应值用R₂表示；接着，输入信号X₄，R₁，R₂和X₁进行与运算，运算结果值用R₃表示，运算结果值R₃通过第三个非门进行取反操作，输出结果用R₄表示，运算结果值R₄再通过第四个非门进行取反操作，输出结果用R₅表示；然后，输入信号X₀通过第二阈值门与前面的运算结果值R₅进行与运算，最终的输出结果用K₁表示，即K₁＝{X₀∧R5}，紧接着输入信号X₀通过第二阈值门与运算结果值R₄进行与运算，最终的输出结果用K₀表示，即K₀＝{X₀∧R4}。

进一步地，在输入信号中，X₄，R₁，R₂和X₁分别是密码锁电路系统代码输入信号所对应的二进制数，K₁、K₀分别是密码锁电路系统对输入的代码信号及转换代码信号进行操作运算的双轨逻辑电路的输出结果，输出结果值若K₁为1、K₀为0则有密码锁被打开，并且无报警信号产生，输出结果值若K₁为0、K₀为1则密码锁未被打开，报警信号产生。

进一步地，所述双轨逻辑电路包括三个逻辑与门，三个逻辑或门，代码输入信号X₁ ¹、X₂ ¹、X₃ ¹、X₄ ¹和X₁ ⁰、X₂ ⁰、X₃ ⁰、X₄ ⁰，转换手柄开关信号X₀ ¹和X₀ ⁰，密码锁是否输出打开信号K₁ ¹和K₁ ⁰，密码锁是否产生报警信号K₀ ¹和K₀ ⁰；输入信号X₄ ⁰、X₁ ⁰、X₃ ¹和X₂ ¹均与逻辑或门W₀相连接，输入信号X₄ ¹、X₃ ⁰、X₂ ⁰和X₁ ¹均与逻辑与门W₁相连接；逻辑或门W₀的输出和输入信号X₀ ⁰与逻辑或门W₂相连接，得到输出信号K₁ ⁰；逻辑与门W₁的输出和输入信号X₀ ¹与逻辑与门W₃相连接，得到输出信号K₁ ¹；逻辑与门W₁的输出和输入信号X₀ ⁰与逻辑或门W₄相连接，得到输出信号K₀ ⁰；逻辑或门W₀的输出和输入信号X₀ ¹与逻辑与门W₅相连接，得到输出信号K₀ ⁰。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：提供了一种基于DNA链置换的代码锁双轨生化逻辑电路及实现方法，首先构建了四种不同的并行输入代码信号和一个串行的转换输入信号的密码锁系统的数字逻辑电路，利用双轨逻辑思想将数字逻辑电路转化成五种并、串行代码信号输入的密码锁加密系统的数字逻辑电路运算操作的双轨逻辑电路，通过双轨逻辑电路再转化成跷跷板生化逻辑电路。所构建的基于DNA链置换用双轨逻辑电路实现四种密码锁并行代码信号输入和转换手柄的串行转换代码信号输入的密码锁加密系统的双轨逻辑电路具有较高的准确灵敏度和可靠性。本发明对于将来设计更复杂大规模逻辑电路运算操作提供了基本的电路基础，提高了生物计算机逻辑电路的可靠性，促进了生物计算机的发展。

附图说明

图1为本发明实施例中链置换反应机制。

图2为本发明实施例中的数字逻辑电路图。

图3为本发明实施例中的双轨逻辑电路图。

图4为本发明实施例中跷跷板逻辑门转化的抽象图。

图5为本发明实施例中的跷跷板生化逻辑电路图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种基于DNA链置换的代码锁双轨生化逻辑电路，如图5所示，包括输入二进制代码链X₁、X₂、X₃、X₄、二进制转换代码链X₀、放大门、两输入集成门、四输入集成门、第一DNA阈值门、第二DNA阈值门和输出链K₀、K₁(开锁信号K₁和报警信号K₀)，每个输入二进制代码链X₁、X₂、X₃、X₄和X₀都具有两种状态，表示逻辑开的状态为X₁ ¹、X₂ ¹、X₃ ¹、X₄ ¹和X₀ ¹，表示逻辑关的状态为X₁ ⁰、X₂ ⁰、X₃ ⁰、X₄ ⁰和X₀ ⁰，输出链K₀、K₁包括K₀ ⁰、K₀ ¹、K₁ ⁰、K₁ ¹四种状态；放大门具有一个输入和两个输出，放大门中设有阈值并有多个燃料输出，输入信号的总浓度大于阈值浓度，则获得输出浓度信号1，否则输出浓度为0；两输入集成门包括两个输入和一个输出，四输入集成门包括四个输入和一个输出；第一DNA阈值门的阈值浓度小于1nM，第二DNA阈值门的阈值浓度大于1nM；输入链X₀ ⁰与放大门Ⅰ相连接，输入链X₀ ¹与放大门Ⅱ相连接，输入链X₄ ⁰、输入链X₁ ⁰、输入链X₃ ¹、输入链X₂ ¹与四输入集成门Ⅰ相连接，输入链X₄ ¹、输入链X₃ ⁰、输入链X₂ ⁰、输入链X₁ ¹与四输入集成门Ⅱ相连接，四输入集成门Ⅰ经第一DNA阈值门与放大门Ⅲ相连接，四输入集成门Ⅱ经第一DNA阈值门与放大门Ⅳ相连接；放大门Ⅰ的第一输出端、放大门Ⅲ的第一输出端均与两输入集成门Ⅰ相连接，通过第二DNA阈值门后，获得输出信号K₁ ⁰；放大门Ⅰ的第二输出端、放大门Ⅳ的第二输出端均与两输入集成门Ⅲ相连接，通过第二DNA阈值门后，获得输出信号K₀ ¹；放大门Ⅱ的第一输出端、放大门Ⅳ的第一输出端均与两输入集成门Ⅱ相连接，通过第二DNA阈值门后，获得输出信号K₁ ¹；放大门Ⅱ的第二输出端、放大门Ⅲ的第二输出端均与两输入集成门Ⅳ相连接，通过第二DNA阈值门后，获得输出信号K₀ ⁰。

所述放大门中燃料的初始浓度设定为输出信号绑定浓度的两倍；放大门的阈值浓度为0.2nM，放大门的燃料浓度为4nM；输入链的信号为1.2nM时，放大门的输出端的输出浓度为1nM。

所述第一DNA阈值门的阈值浓度为0.6nM，第二DNA阈值门的阈值浓度为2.4nM。

本发明还提供了上述基于DNA链置换的代码锁双轨生化逻辑电路的实现方法，包括以下步骤：

1)DNA链置换反应中没有酶或转录机制的常温下实现，将输入链的末端结构域与部分信号链反应，并进行分支迁移，直到下一次双链中的单链被外界的单链取代，形成新的单链为输出链。DNA自组装技术在生物工程逻辑电路中的应用越来越广泛，而DNA链置换技术源自DNA自组装技术，由于基本双螺旋结构互补配对规则，多条DNA单链自发有序的进行多维组装。

图1中简要概述了DNA链置换反应机制，通过该机制可以实现本发明中使用的理想化学反应的类型。考虑可逆的双分子反应关系：

其中X₁，X₂，Y₁和Y₂是DNA链，而k_b和k_ub分别是正向结合率和反向结合率。该反应的具体实施如图1所示。它始于输入链X₂，通过沃森-克里克碱基配对原则，在支点链1*处与互补链X₁结合。通过分支迁移的中间过程，输入链X₂从输入链X₁中进行链置换反应，从而产生了部分双链产物Y₂，该产物可以使用支点链3*与其他DNA复合物进一步反应。该机制已被应用于分子计算、特异性核酸序列的DNA模板检测和DNA结构的驱动等等。基于DNA链置换的反应机制，我们设计了一种新的逻辑电路，四种加密二进制代码和一个转换二进制代码输入的密码锁加密系统逻辑电路，对应DNA链置换的输入输出逻辑关系，将四种加密二进制代码和一个转换二进制代码信号作为输入端，用输出端来表示，当输入密码正确时，转换手柄信号打开，是否有报警信号产生以及当输入密码错误时，转换手柄信号打开，是否有报警信号产生。这种基于DNA链置换的反应机制电路的设计思想被应用于具体的生活电路设计中，其具有的准确性和高度灵敏性具有很好的应用价值，能够及时准确的确保人们生活的安全，增加人们日常生活中的安全系数。

2)利用基本的DNA链置换反应机制构建四种加密二进制代码和一个转换二进制代码输入的密码锁加密系统双轨生化逻辑电路输出信号为K₁、K₀的数字逻辑电路，数字逻辑电路中的逻辑运算状态分别用二进制数值0和1表示。

在数字逻辑电路中，逻辑运算状态分别用0和1表示。如果两个输入状态的值都为0，逻辑或门的值为0，否则为1。如果两个输入状态都为1，逻辑非门的值为0。如果两个输入状态都为0，逻辑非门的值为1。如果两个输入状态的值都为1，则逻辑或门的值为1，否则为0。通过使用没有低电平借位的四种加密二进制代码和一个转换二进制代码输入的密码锁加密系统操作运算的双轨逻辑电路来计算两个不同的二进制数。根据不同的输入信号，输出信号可能相同。在这些输入信号中，X₁、X₂、X₃、X₄和X₀，分别是密码锁加密系统的代码设定值和转换二进制转换代码链的信号值，K₁和K₀是基于DNA链置换的四种加密二进制代码和一个转换二进制代码输入的密码锁加密系统双轨逻辑电路操作运算的数字逻辑电路的输出结果，输出结果值若为K₁＝1、K₀＝0，则密码锁被打开，没有报警信号产生；否则密码锁始终处于关闭状态，有报警信号产生。即该数字逻辑电路具有判定是否有陌生人入侵的效果。

如图2所示，所述数字逻辑电路包括四个非逻辑门，三个与逻辑门，四个代码锁输入信号X₄、X₃、X₂、X₁和转换开关信号X₀，两种不同的输出信号，即是否锁定的状态信号K₁和是否发出警报的信号K₀；首先输入信号X₃经过第一个非门进行取反，输出一个对应值用R₁表示，输入信号X₂经过第二个非门进行取反，输出一个对应值用R₂表示；接着，输入信号X₄，R₁，R₂和X₁进行与运算，运算结果值用R₃表示，运算结果值R₃通过第三个非门进行取反操作，输出结果用R₄表示，运算结果值R₄再通过第四个非门进行取反操作，输出结果用R₅表示；然后，输入信号X₀通过第二阈值门与前面的运算结果值R₅进行与运算，最终的输出结果用K₁表示，即K₁＝{X₀∧R5}，紧接着输入信号X₀通过第二阈值门与运算结果值R₄进行与运算，最终的输出结果用K₀表示，即K₀＝{X₀∧R4}。各输入链信号与输出链信号逻辑操作运算值如表1所示。

表1

3)每个原始的输入信号都转换成两个状态相反的输入信号X₁ ¹、X₂ ¹、X₃ ¹、X₄ ¹、X₀ ¹和X₁ ⁰、X₂ ⁰、X₃ ⁰、X₄ ⁰、X₀ ⁰，输出信号输出运算结果K₁和K₀，使用没有低电平借位的四种加密二进制代码和一个转换二进制代码输入的密码锁加密系统操作运算的双轨逻辑电路计算两个不同的二进制数，得到基于DNA链置换的四种加密二进制代码和一个转换二进制代码输入的密码锁加密系统操作运算的双轨逻辑电路。

所述双轨逻辑电路包括三个逻辑与门，三个逻辑或门，代码输入信号X₁ ¹、X₂ ¹、X₃ ¹、X₄ ¹和X₁ ⁰、X₂ ⁰、X₃ ⁰、X₄ ⁰，转换手柄开关信号X₀ ¹和X₀ ⁰，密码锁是否输出打开信号K₁ ¹和K₁ ⁰，密码锁是否产生报警信号K₀ ¹和K₀ ⁰；输入信号X₄ ⁰、X₁ ⁰、X₃ ¹和X₂ ¹均与逻辑或门W₀相连接，输入信号X₄ ¹、X₃ ⁰、X₂ ⁰和X₁ ¹均与逻辑与门W₁相连接；逻辑或门W₀的输出和输入信号X₀ ⁰与逻辑或门W₂相连接，得到输出信号K₁ ⁰；逻辑与门W₁的输出和输入信号X₀ ¹与逻辑与门W₃相连接，得到输出信号K₁ ¹；逻辑与门W₁的输出和输入信号X₀ ⁰与逻辑或门W₄相连接，得到输出信号K₀ ⁰；逻辑或门W₀的输出和输入信号X₀ ¹与逻辑与门W₅相连接，得到输出信号K₀ ⁰。

在基于DNA链置换的代码锁双轨逻辑电路及实现方法的双轨逻辑电路中，使用双轨方法设计了DNA链置换的四种加密二进制代码和一个转换二进制代码输入的密码锁加密系统操作运算的双轨逻辑电路设计及实现的双层逻辑电路，双轨逻辑算法的采用能够避免错误的输出信号，在输入信号不完全存在的情况下可以获得确定的运算结果。结合其数字电路图构建了双轨逻辑电路，如图3所示。在双轨逻辑电路中，为了确保所有情况的输入信号都能被识别，每个原始输入信号都能被转换成两个输入信号，其中每一个均可以表示为逻辑“开”或“关”的状态。如果输入的代码X₃不能参与反应，则X₃ ⁰和X₃ ¹的状态在双轨逻辑电路中分别显示为逻辑“开”和逻辑“关”。另外，在双轨逻辑电路中的与门和或门的逻辑功能都应通过一对“与”逻辑门和“或”逻辑门来实现。根据不同状态的输入信号，输出信号的状态也不同。其输出信号K₁的输出结果总共有两种情况，即输出运算结果为果K₁ ⁰和K₁ ¹；输出信号K₀的输出结果总共有两种情况，即输出运算结果为K₀ ⁰和K₀ ¹。具体的反应过程为：输入信号X₁ ¹、X₂ ¹、X₃ ¹、X₄ ¹和X₁ ⁰、X₂ ⁰、X₃ ⁰、X₄ ⁰经过一个与门W₁和一个或门W₀进行逻辑运算操作，这个与门W₁的输出结果用T₁表示，这个或门W₀的输出结果用T₀表示，然后输出结果T₀和手柄转换信号X₀再经过两个与门W₃、W₅和两个或门W₂、W₄进行逻辑操作运算，输出结果为W₂对应P₀、W₃对应P₁、W₄对应P₂、W₅对应P₃，即最终的输出结果为P₀＝K₁ ⁰、P₁＝K₁ ¹、P₂＝K₀ ¹、P₃＝K₀ ⁰。如图3所示，双轨逻辑电路包括三个逻辑与门和三个逻辑或门，输入信号包括代码输入信号X₁ ¹、X₂ ¹、X₃ ¹、X₄ ¹和X₁ ⁰、X₂ ⁰、X₃ ⁰、X₄ ⁰，转换手柄开关信号X₀ ¹和X₀ ⁰，密码锁是否输出打开信号为K₁ ¹和K₁ ⁰，密码锁是否产生报警信号为K₀ ¹和K₀ ⁰；根据双轨逻辑电路从下到上、由左至右的顺序，输入信号X₄ ⁰、X₁ ⁰、X₃ ¹和X₂ ¹均与逻辑或门W₀相连接，输入信号X₄ ¹、X₃ ⁰、X₂ ⁰和X₁ ¹均与逻辑与门W₁相连接；逻辑或门W₀的输出和输入信号X₀ ⁰与逻辑或门W₂相连接，得到输出信号K₁ ⁰；逻辑与门W₁的输出和输入信号X₀ ¹与逻辑与门W₃相连接，得到输出信号K₁ ¹；逻辑与门W₁的输出和输入信号X₀ ⁰与逻辑或门W₄相连接，得到输出信号K₀ ⁰；逻辑或门W₀的输出和输入信号X₀ ¹与逻辑与门W₅相连接，得到输出信号K₀ ⁰。

实例说明：

(1)当密码锁代码X₄、X₃、X₂、X₁分别取二进制代码1001，手柄转换代码时X₀取二进制代码1是，即X₄ ¹＝1、X₃ ⁰＝1、X₂ ⁰＝1、X₁ ¹＝1、X₀ ¹＝1、X₄ ⁰＝0、X₃ ¹＝0、X₂ ¹＝0、X₁ ⁰＝0、X₀ ⁰＝0时，X₄ ⁰＝0、X₁ ⁰＝0、X₃ ¹＝0、X₂ ¹＝0经过第一个门或门W₀进行或运算，输出结果用T₀表示，即T₀＝[(X₄ ⁰＝0)∨(X₁ ⁰＝0)∨(X₃ ¹＝0)∨(X₂ ¹＝0)]＝0；X₄ ¹＝1、X₃ ⁰＝1、X₂ ⁰＝1、X₁ ¹＝1经过第二个门与门W₁进行与运算，输出结果用T₁表示，即T₁＝[(X₄ ¹＝1)∧(X₃ ⁰＝1)∧(X₂ ⁰＝1)∧(X₁ ¹＝1)]＝1；X₀ ⁰＝0、T₀＝0经过第三个门或门W₂进行或运算，输出结果用P₀表示，即P₀＝[(X₀ ⁰＝0)∨(T₀＝0)]＝0；X₀ ¹＝1、T₁＝1经过第四个门与门W₃进行与运算，输出结果用P₁表示，即P₁＝[(X₀ ¹＝1)∧(T₁＝1)]＝1；X₀ ⁰＝0、T₁＝1经过第五个门或门W₄进行或运算，输出结果用P₂表示，即P₂＝[(X₀ ⁰＝0)∨(T₁＝1)]＝1；X₀ ¹＝1、T₀＝0经过第六个门与门W₅进行与运算，输出结果用P₃表示，即P₃＝[(X₀ ¹＝1)∧(T₀＝0)]＝0；然后输出结果P₀、P₁、P₂、P₃通过所设计的双轨电路操作运算得出对应的输出结果值，即K₁ ⁰＝P₀＝0、K₁ ¹＝P₁＝1、K₀ ⁰＝P₂＝1、K₀ ¹＝P₃＝0，此时，密码锁输入密码正确，门锁被打开，没有报警信号产生，相应的逻辑计算实现如表2所示。

表2

逻辑门	每个门的逻辑运算过程	T<sub>0</sub>-T<sub>1</sub>、P<sub>0</sub>和P<sub>3</sub>输出值	最终结果
				W<sub>0</sub>	T<sub>0</sub>＝[(X<sub>4</sub><sup>0</sup>＝0)∨(X<sub>1</sub><sup>0</sup>＝0)∨(X<sub>3</sub><sup>1</sup>＝0)∨(X<sub>2</sub><sup>1</sup>＝0)]	0	/
W<sub>1</sub>	T<sub>1</sub>＝[(X<sub>4</sub><sup>1</sup>＝1)∧(X<sub>1</sub><sup>1</sup>＝1)∧(X<sub>3</sub><sup>0</sup>＝1)∧(X<sub>2</sub><sup>0</sup>＝1)]	1	/
				W<sub>2</sub>	P<sub>0</sub>＝[(X<sub>0</sub><sup>0</sup>＝0)∨(T<sub>0</sub>＝0)]	0	K<sub>1</sub><sup>0</sup>＝0
W<sub>3</sub>	P<sub>1</sub>＝[(X<sub>0</sub><sup>1</sup>＝1)∧(T<sub>1</sub>＝1)]	1	K<sub>1</sub><sup>1</sup>＝1
				W<sub>4</sub>	P<sub>2</sub>＝[(X<sub>0</sub><sup>0</sup>＝0)∨(T<sub>1</sub>＝1)]	1	K<sub>0</sub><sup>0</sup>＝1
W<sub>5</sub>	P<sub>3</sub>＝[(X<sub>0</sub><sup>1</sup>＝1)∧(T<sub>0</sub>＝0)]	0	K<sub>0</sub><sup>1</sup>＝0

(2)当密码锁代码X₄、X₃、X₂、X₁分别取二进制代码0111，手柄转换代码时X₀取二进制代码1是，即X₄ ¹＝0、X₃ ¹＝1、X₂ ¹＝1、X₁ ¹＝1、X₀ ¹＝1、X₄ ⁰＝1、X₃ ⁰＝0、X₂ ⁰＝0、X₁ ⁰＝0、X₀ ⁰＝0时，X₄ ⁰＝1、X₁ ⁰＝0、X₃ ¹＝1、X₂ ¹＝1经过第一个门或门W₀进行或运算，输出结果用T₀表示，即T₀＝[(X₄ ⁰＝1)∨(X₁ ⁰＝0)∨(X₃ ¹＝1)∨(X₂ ¹＝1)]＝1；X₄ ¹＝0、X₃ ⁰＝0、X₂ ⁰＝0、X₁ ¹＝1经过第二个门与门W₁进行与运算，输出结果用T₁表示，即T₁＝[(X₄ ¹＝0)∧(X₃ ⁰＝0)∧(X₂ ⁰＝0)∧(X₁ ¹＝1)]＝0；X₀ ⁰＝0、T₀＝1经过第三个门或门W₂进行或运算，输出结果用P₀表示，即P₀＝[(X₀ ⁰＝0)∨(T₀＝1)]＝1；X₀ ¹＝1、T₁＝0经过第四个门与门W₃进行与运算，输出结果用P₁表示，即P₁＝[(X₀ ¹＝1)∧(T₁＝0)]＝0；X₀ ⁰＝0、T₁＝1经过第五个门或门W₄进行或运算，输出结果用P₂表示，即P₂＝[(X₀ ⁰＝0)∨(T₁＝0)]＝0；X₀ ¹＝1、T₀＝1经过第六个门与门W₅进行与运算，输出结果用P₃表示，即P₃＝[(X₀ ¹＝1)∧(T₀＝1)]＝1；然后输出结果P₀、P₁、P₂、P₃通过所设计的双轨电路操作运算得出对应的输出结果值，即K₁ ⁰＝P₀＝1、K₁ ¹＝P₁＝0、K₀ ¹＝P₂＝0、K₀ ⁰＝P₃＝1，此时，密码锁输入密码错误，门锁处于关闭状态，产生报警提示信号。

(3)当密码锁代码X₄、X₃、X₂、X₁分别取二进制代码0010，手柄转换代码时X₀取二进制代码1是，即X₄ ¹＝0、X₃ ¹＝0、X₂ ¹＝1、X₁ ¹＝0、X₀ ¹＝1、X₄ ⁰＝1、X₃ ⁰＝1、X₂ ⁰＝0、X₁ ⁰＝1、X₀ ⁰＝0时，X₄ ⁰＝0、X₁ ⁰＝1、X₃ ¹＝0、X₂ ¹＝1经过第一个门或门W₀进行或运算，输出结果用T₀表示，即T₀＝[(X₄ ⁰＝0)∨(X₁ ⁰＝1)∨(X₃ ¹＝0)∨(X₂ ¹＝1)]＝1；X₄ ¹＝0、X₃ ⁰＝1、X₂ ⁰＝0、X₁ ¹＝0经过第二个门与门W₁进行与运算，输出结果用T₁表示，即T₁＝[(X₄ ¹＝0)∧(X₃ ⁰＝1)∧(X₂ ⁰＝0)∧(X₁ ¹＝0)]＝0；X₀ ⁰＝0、T₀＝1经过第三个门或门W₂进行或运算，输出结果用P₀表示，即P₀＝[(X₀ ⁰＝0)∨(T₀＝1)]＝1；X₀ ¹＝1、T₁＝0经过第四个门与门W₃进行与运算，输出结果用P₁表示，即P₁＝[(X₀ ¹＝1)∧(T₁＝0)]＝0；X₀ ⁰＝0、T₁＝0经过第五个门或门W₄进行或运算，输出结果用P₂表示，即P₂＝[(X₀ ⁰＝0)∨(T₁＝0)]＝0；X₀ ¹＝1、T₀＝1经过第六个门与门W₅进行与运算，输出结果用P₃表示，即P₃＝[(X₀ ¹＝1)∧(T₀＝1)]＝1；然后输出结果P₀、P₁、P₂、P₃通过所设计的双轨电路操作运算得出对应的输出结果值，即K₁ ⁰＝P₀＝1、K₁ ¹＝P₁＝0、K₀ ¹＝P₂＝0、K₀ ⁰＝P₃＝1，此时，密码锁输入密码错误，门锁处于关闭状态，产生报警提示信号。

(4)当密码锁代码X₄、X₃、X₂、X₁分别取二进制代码0001，手柄转换代码时X₀取二进制代码1是，即X₄ ¹＝0、X₃ ¹＝0、X₂ ¹＝0、X₁ ¹＝1、X₀ ¹＝1、X₄ ⁰＝1、X₃ ⁰＝1、X₂ ⁰＝1、X₁ ⁰＝0、X₀ ⁰＝0时，X₄ ⁰＝1、X₁ ⁰＝0、X₃ ¹＝0、X₂ ¹＝0经过第一个门或门W₀进行或运算，输出结果用T₀表示，即T₀＝[(X₄ ⁰＝1)∨(X₁ ⁰＝0)∨(X₃ ¹＝0)∨(X₂ ¹＝0)]＝1；X₄ ¹＝0、X₃ ⁰＝1、X₂ ⁰＝1、X₁ ¹＝1经过第二个门与门W₁进行与运算，输出结果用T₁表示，即T₁＝[(X₄ ¹＝0)∧(X₃ ⁰＝1)∧(X₂ ⁰＝1)∧(X₁ ¹＝1)]＝0；X₀ ⁰＝0、T₀＝1经过第三个门或门W₂进行或运算，输出结果用P₀表示，即P₀＝[(X₀ ⁰＝0)∨(T₀＝1)]＝1；X₀ ¹＝1、T₁＝0经过第四个门与门W₃进行与运算，输出结果用P₁表示，即P₁＝[(X₀ ¹＝1)∧(T₁＝0)]＝0；X₀ ⁰＝0、T₁＝1经过第五个门或门W₄进行或运算，输出结果用P₂表示，即P₂＝[(X₀ ⁰＝0)∨(T₁＝0)]＝0；X₀ ¹＝1、T₀＝1经过第六个门与门W₅进行与运算，输出结果用P₃表示，即P₃＝[(X₀ ¹＝1)∧(T₀＝1)]＝1；然后输出结果P₀、P₁、P₂、P₃通过所设计的双轨电路操作运算得出对应的输出结果值，即K₁ ⁰＝P₀＝1、K₁ ¹＝P₁＝0、K₀ ¹＝P₂＝0、K₀ ⁰＝P₃＝1，此时，密码锁输入密码错误，门锁处于关闭状态，产生报警提示信号。

(5)当密码锁代码X₄、X₃、X₂、X₁分别取二进制代码0101，手柄转换代码时X₀取二进制代码1是，即X₄ ¹＝0、X₃ ¹＝1、X₂ ¹＝0、X₁ ¹＝1、X₀ ¹＝1、X₄ ⁰＝1、X₃ ⁰＝0、X₂ ⁰＝1、X₁ ⁰＝0、X₀ ⁰＝0时，X₄ ⁰＝1、X₁ ⁰＝0、X₃ ¹＝1、X₂ ¹＝0经过第一个门或门W₀进行或运算，输出结果用T₀表示，即T₀＝[(X₄ ⁰＝1)∨(X₁ ⁰＝0)∨(X₃ ¹＝1)∨(X₂ ¹＝0)]＝1；X₄ ¹＝0、X₃ ⁰＝0、X₂ ⁰＝1、X₁ ¹＝1经过第二个门与门W₁进行与运算，输出结果用T₁表示，即T₁＝[(X₄ ¹＝0)∧(X₃ ⁰＝0)∧(X₂ ⁰＝1)∧(X₁ ¹＝1)]＝0；X₀ ⁰＝0、T₀＝1经过第三个门或门W₂进行或运算，输出结果用P₀表示，即P₀＝[(X₀ ⁰＝0)∨(T₀＝1)]＝1；X₀ ¹＝1、T₁＝0经过第四个门与门W₃进行与运算，输出结果用P₁表示，即P₁＝[(X₀ ¹＝1)∧(T₁＝0)]＝0；X₀ ⁰＝0、T₁＝1经过第五个门或门W₄进行或运算，输出结果用P₂表示，即P₂＝[(X₀ ⁰＝0)∨(T₁＝0)]＝0；X₀ ¹＝1、T₀＝1经过第六个门与门W₅进行与运算，输出结果用P₃表示，即P₃＝[(X₀ ¹＝1)∧(T₀＝1)]＝1；然后输出结果P₀、P₁、P₂、P₃通过所设计的双轨电路操作运算得出对应的输出结果值，即K₁ ⁰＝P₀＝1、K₁ ¹＝P₁＝0、K₀ ¹＝P₂＝0、K₀ ⁰＝P₃＝1，此时，密码锁输入密码错误，门锁处于关闭状态，产生报警提示信号。

(6)当密码锁代码X₄、X₃、X₂、X₁分别取二进制代码0110，手柄转换代码时X₀取二进制代码1是，即X₄ ¹＝0、X₃ ¹＝1、X₂ ¹＝1、X₁ ¹＝0、X₀ ¹＝1、X₄ ⁰＝1、X₃ ⁰＝0、X₂ ⁰＝0、X₁ ⁰＝1、X₀ ⁰＝0时，X₄ ⁰＝1、X₁ ⁰＝1、X₃ ¹＝1、X₂ ¹＝1经过第一个门或门W₀进行或运算，输出结果用T₀表示，即T₀＝[(X₄ ⁰＝1)∨(X₁ ⁰＝1)∨(X₃ ¹＝1)∨(X₂ ¹＝1)]＝1；X₄ ¹＝0、X₃ ⁰＝0、X₂ ⁰＝0、X₁ ¹＝0经过第二个门与门W₁进行与运算，输出结果用T₁表示，即T₁＝[(X₄ ¹＝0)∧(X₃ ⁰＝0)∧(X₂ ⁰＝0)∧(X₁ ¹＝0)]＝0；X₀ ⁰＝0、T₀＝1经过第三个门或门W₂进行或运算，输出结果用P₀表示，即P₀＝[(X₀ ⁰＝0)∨(T₀＝1)]＝1；X₀ ¹＝1、T₁＝0经过第四个门与门W₃进行与运算，输出结果用P₁表示，即P₁＝[(X₀ ¹＝1)∧(T₁＝0)]＝0；X₀ ⁰＝0、T₁＝1经过第五个门或门W₄进行或运算，输出结果用P₂表示，即P₂＝[(X₀ ⁰＝0)∨(T₁＝0)]＝0；X₀ ¹＝1、T₀＝1经过第六个门与门W₅进行与运算，输出结果用P₃表示，即P₃＝[(X₀ ¹＝1)∧(T₀＝1)]＝1；然后输出结果P₀、P₁、P₂、P₃通过所设计的双轨电路操作运算得出对应的输出结果值，即K₁ ⁰＝P₀＝1、K₁ ¹＝P₁＝0、K₀ ¹＝P₂＝0、K₀ ⁰＝P₃＝1，此时，密码锁输入密码错误，门锁处于关闭状态，产生报警提示信号。

4)采用跷跷板电路作为分子逻辑电路单元的基本组成部分，将双轨逻辑电路中的逻辑门转化为均有输入信号链、输出信号链、阈值链和燃料链的跷跷板逻辑门，得到分子生化领域内的跷跷板逻辑电路。

采用跷跷板逻辑电路作为分子逻辑电路单元的基本组成部分，由六条DNA链组成：输入链，输出链，阈值链，燃料链，逻辑门链，链置换链。如图4所示，红色虚线部分是组成跷跷板逻辑门的基本信号链结构，即由输入信号链、输出信号链、阈值链和燃料链共同转化而成。加黑数字表示节点或链置换中一些节点的接口的标识，节点内或线上的数字表示不同初始DNA种类的相对浓度。每个物种在门内起着特定的作用(例如，输入信号)，并且在链置换内具有唯一的名称(例如，w2，5)。灰色线代表DNA链，箭头标记其3’端，深浅色表示不同的DNA序列。S2、S5和S6是对应于节点2，5和6的链长(15个核苷酸)识别域；S7不与链置换中的其他节点进行交互反应，而是保持信号链的一致性。T是短(5-核苷酸)支点结构域；T*是T的Watson-Crick补码等；S2*是3’末端的核苷酸。

为了更形象的描绘电路的表达，两部分的圆形节点分别表示每个DNA逻辑门，并且每条线分别用于代表每个DNA信号。双轨逻辑电路应转换为跷跷板逻辑电路，并处于反应的第一阶段。转换成了跷跷板逻辑电路，为了更清楚地看到不同逻辑门之间的关系，不同的线在整个跷跷板逻辑电路图分别表示不同的逻辑门操作。

5)基于DNA链置换反应机制将跷跷板逻辑电路进一步转化为跷跷板生化逻辑电路，即代码锁双轨生化逻辑电路。

如图5所示，

这种基于DNA链置换的四种加密二进制代码和一个转换二进制代码输入的密码锁加密系统操作运算的双轨逻辑电路为跷跷板生化逻辑电路，跷跷板生化逻辑电路的输入端是不同的二进制代码锁链，这里设置成四种不同的的输入链X₄、X₃、X₂、X₁，一种用于转换的代码锁输入链X₀、且这五种输入链对应的状态都有两种，分别是输入代码链X₄ ¹、X₃ ¹、X₂ ¹、X₁ ¹、转换开关信号关的状态信号链X₀ ⁰、X₄ ⁰、X₃ ⁰、X₂ ⁰、X₁ ⁰和转换开关信号开的状态信号链X₀ ¹。此外，在这种基于DNA链置换的四种加密二进制代码和一个转换二进制代码输入的密码锁加密系统操作运算的双轨逻辑电路里面设计了放大门、集成门、第一DNA阈值门、第二DNA阈值门以及输出链。对应的输出链包括四种状态，其中密码锁最终状态为K₁ ⁰和K₁ ¹，报警信号的状态为K₀ ⁰和K₀ ¹。在这种设计的双轨电路设计里面，放大门具有一个输入和两个输出，放大门中设有阈值并有多个燃料输出，输入信号的总浓度大于阈值浓度，则获得输出浓度信号1，否则输出浓度为0。集成门包括四个输入一个输出的四输入集成门和两个输入一个输出的两输入集成门，最后通过与和或的逻辑表达关系，输出结果值K₁和K₀的状态。第一DNA阈值门的阈值浓度小于1nM，第二DNA阈值门的阈值浓度大于1nM。输入链X₀ ⁰与放大门Ⅰ相连接，输入链X₀ ¹与放大门Ⅱ相连接，输入链X₄ ⁰、输入链X₁ ⁰、输入链X₃ ¹、输入链X₂ ¹与四输入集成门Ⅰ相连接，输入链X₄ ¹、输入链X₃ ⁰、输入链X₂ ⁰、输入链X₁ ¹与四输入集成门Ⅱ相连接，四输入集成门Ⅰ经第一DNA阈值门与放大门Ⅲ相连接，四输入集成门Ⅱ经第一DNA阈值门与放大门Ⅳ相连接；放大门Ⅰ的第一输出端、放大门Ⅲ的第一输出端均与两输入集成门Ⅰ相连接，通过第二DNA阈值门后，获得输出信号K₁ ⁰；放大门Ⅰ的第二输出端、放大门Ⅳ的第二输出端均与两输入集成门Ⅲ相连接，通过第二DNA阈值门后，获得输出信号K₀ ¹；放大门Ⅱ的第一输出端、放大门Ⅳ的第一输出端均与两输入集成门Ⅱ相连接，通过第二DNA阈值门后，获得输出信号K₁ ¹；放大门Ⅱ的第二输出端、放大门Ⅲ的第二输出端均与两输入集成门Ⅳ相连接，通过第二DNA阈值门后，获得输出信号K₀ ⁰。各输入链信号与输出链信号逻辑具体的操作运算对应转换表3所示。

表3

放大门的作用是用于接收多个输入信号，并在反应后集成到一个输出信号中。放大门中输入信号的总浓度大于阈值浓度，则可以获得输出信号，否则输出浓度为0nM，为了促使输出信号完全释放，燃料的初始浓度为输出信号绑定浓度的两倍。具有输入1、输入2、输入3和输入4四个信号的集成门的功能与放大门是相反的，集成门用于接收多个输入信号，并在反应后集成到一个输出信号中。这个过程可以通过阈值门来执行与和或逻辑运算操作。阈值门的功能可通过浓度的幅度调节对输入信号进行调节。如果输入信号的总浓度大于阈值浓度，则可以产生输出信号，否则输出浓度为0nM。放大门的阈值浓度为0.2nM，放大门的燃料浓度为4nM；输入链的信号为1.2nM时，放大门的输出端的输出浓度为1nM。在本发明中，为了促使输出信号完全释放，根据实验的理论设计要求，第一DNA阈值门的阈值浓度为0.6nM，第二DNA阈值门的阈值浓度为2.4nM。

跷跷板生化逻辑电路的逻辑功能与双轨逻辑电路相同，当输入链信号为1.2nM时，放大门的两个输出端均可以获得输出信号，当四输入集成门的输入端为4时表示有生化反应，输出信号。第一DNA阈值门的输入端为4可以获得输出信号，反应继续进行。第二DNA阈值门的输入端为2，输出浓度为0nM，反应终止。

本发明运用双轨思想将DNA链置换的代码锁双轨逻辑电路及实现方法，首先将数字逻辑电路首先转化为双轨逻辑电路，再由双轨逻辑电路转化为跷跷板生化逻辑电路，最后得到两种输出信号的四种结果，即K₁ ⁰、K₁ ¹、K₀ ⁰和K₀ ¹。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。