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DNA逻辑电路的先前架构具有两个局限性。首先，计算速度很慢，通常需要数小时才能计算出简单的函数。其次，对于DNA链的数量，电路具有很高的复杂性。在这里，介绍了一种基于单链逻辑门的DNA逻辑电路架构，该逻辑门使用链置换和DNA聚合酶。
该逻辑门仅由DNA单链组成，这大大减少了泄漏反应和信号恢复步骤，从而在计算速度和所需DNA链数方面都改善了电路。对于基础的门控，可以通过简单的级联策略，构建大规模逻辑电路。
具体来说，这种构架基于使用Bst 2.0 DNA聚合酶的逻辑或门和与门，各逻辑门最初只有DNA单链，以减少前面的架构造成预制DNA复合物的泄漏和链复杂性。两个简单的门控是架构的基础，通过双轨逻辑用这两个门控构成的电路可以评估任何布尔逻辑函数。如图1a所示为或门，由两条单链和燃料链组成，过程如图1b，c所示，通过DNA杂交和聚合链置换产生单链FO，其中O域作为报告域，如图1d所示，通过荧光恢复来检测门控的输出信号。如图1e所示为与门，有两种反应路径如图1f，g所示，分别产生输出链AO和BO。两种门控的运算完成一半的时间大约在3分钟左右。但是在与门中还有一个副反应可能会发生，如图1h所示，两条输入链不按预期结合门控，导致没有带O域的输出单链，无法检测出荧光信号，此时门输出为0。
图1. OR门和AND门的设计。
两个基本的门控可以级联成各种电路，具体来说，上游门控的输出域O可以被设计为与下游门控的输入部分相同。如图2a所示，为两层级联的OR-AND门和AND-OR门控，对于OR-AND级联电路，AND门控的底链浓度为1×（100 nM），OR门控的底链浓度则设计为2×，以确保AND门可以从OR门获取足够的输入链。对于AND-OR级联电路，两种门控均设置1×。基本满足一个门控始终可以为下游门控提供足够的输入这一原则。这种确定级联浓度的策略已应用于所有电路，如图2b所示，对三层级联AND-OR-AND和OR-AND-OR也进行了测试，典型输入的结果基本正确。
图2. 两层和三层级联电路
OR门控支持扇形输入输出模式，即多线路输入和多线路输出。如图3a为四输入的或门，按照设计下游或门对于上游四个门控任意一个产生的逻辑1作出响应。如图3b为四输出或门，下游四个门控链浓度为1×，则上游或门链浓度为4×，右侧给出的荧光图是O1的荧光曲线。如图3c为四个门组合的中等规模电路，这些电路对于典型的输入基本上都给出了正确的结果。
图3. 扇形输入、输出和中等规模电路。
还设计了一个大规模逻辑电路，计算四位输入数的平方根floor函数（向下取整）。如图4a，由于该体系中没有NOT门，因此将原始电路转换为其双轨逻辑形式，如图4b所示，通过双轨逻辑，原始电路中的每个布尔变量由转换后的电路中的两个变量表示。例如，变量A用变量A-1和A-0表示，其中当A-1=1，A-0=0时，A=1，当A-1=0，A-0=1时，A=0。A -1和A-0不能同时为1或0。测试了16种可能的输入组合，图4c给出了四个代表性输入的荧光输出图。该平方根电路大约会在25分钟内作出响应，一共包含37条DNA链。
图4. 平方根电路。
对于以上几种电路的设计，门控链以及输入链的浓度设计可以参考图5。
图5. 测试门控电路的浓度设置。
亮点：
使用酶和单链DNA构架逻辑电路，以最大程度减少DNA链的泄露和数量，而且响应时间更短。模块化的逻辑域便于级联电路的不同组合。
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Song, T. Q., Abeer Eshra, ... , John Reif.(2019). Fast and compact DNA logic circuits based on single-stranded gates using strand-displacing polymerase. Nat Nanotechnol. 14,1075-1081. DOI:10.1038/s41565-019-0544-5.