分子计算机的思想首次由美国著名的物理学家Richard Phillips Feynman提出,但是,在当时的技术条件下他给出的“超级微型计算机”的设想是难以实现的。1994年美国南加州大学的Leonard Adleman教授首次在试管中利用寡核苷酸链解决了一个数学上的经典图论问题—一有向Hamilton路问题,从实验上证明了分子计算机的可行性。因为具有超大并行计算能力和高效的数据存储能力等优势,分子计算成为目前发展新型、高性能计算机最重要的一条途径,在近些年受到研究者的广泛关注,越来越多的科学家投身于分子计算机的研究中。本文总结了国内外专家学者在分子计算领域的研究成果以及目前该领域所用到的一些相关的技术和材料,并在本实验室前期工作的基础上设计了两个逻辑系统。本文所做的工作具体包括以下几点:(1)首先本文对DNA计算的研究背景及意义进行了介绍,并从几个方面总结了国内外关于本研究领域的研究现状以及目前生物计算的发展趋势。(2)接着本文讲述了分子计算相关技术及其研究,并着重介绍了本文构建模型所用到的两种技术:DNA链置换技术和荧光标记技术。随后,本章介绍了几种分子计算领域应用比较广泛的纳米材料,包括离子、脱氧核酶、G-四链体等。这为以后对DNA计算模型的研究和发展提供了支持,为生物计算在材料科学等领域的应用提供了基础。(3)本文的第三章利用金属离子能够诱导DNA碱基发生错误配对的性质,构建了两个简单的逻辑门—一或门(OR门)和与门(AND门),并在这两个逻辑门的基础上设计了一个二级联的逻辑电路。这个逻辑模型引入了金属离子这一分子材料作为输入,用荧光标记技术来识别荧光的强度变化,以此作为逻辑模型的输出。(4)本文的第四章在分子逻辑模型中引入了链霉亲和素和脱氧核酶两种纳米分子材料,首先根据链霉亲和素和生物素特异性结合的性质设计了一个基于近距离的链置换反应,构建了一个双输入的AND逻辑门,这个AND门实现了荧光信号减弱的过程。接下来引入脱氧核酶分子,以脱氧核酶的两种亚基分别作为输入,设计了一个二输入的逻辑与门,这个AND门实现了荧光信号的增强。为了增加模型的应用价值以及模型的通用性,本文将这两种逻辑门组合在一起,设计了一个基于近距离效应的小型分子开关。