[en] A nucleic acid-based constitutional dynamic network (CDN) is introduced as a single computational module that, in the presence of different sets of inputs, operates a variety of logic gates including a half adder, 2 : 1 multiplexer and 1 : 2 demultiplexer, a ternary multiplication matrix and a cascaded logic circuit. The CDN-based computational module leads to four logically equivalent outputs for each of the logic operations. Beyond the significance of the four logically equivalent outputs in establishing reliable and robust readout signals of the computational module, each of the outputs may be fanned out, in the presence of different inputs, to a set of different logic circuits. In addition, the ability to intercommunicate constitutional dynamic networks (CDNs) and to construct DNA-based CDNs of higher complexity provides versatile means to design computing circuits of enhanced complexity.
Disciplines :
Chemistry
Author, co-author :
Zhou, Zhixin
Wang, Jianbang
Levine, R. D.
Remacle, Françoise ; Université de Liège - ULiège > Département de chimie (sciences) > Laboratoire de chimie physique théorique
Willner, Itamar
Language :
English
Title :
DNA-based constitutional dynamic networks as functional modules for logic gates and computing circuit operations
Publication date :
2021
Journal title :
Chemical Science
ISSN :
2041-6520
eISSN :
2041-6539
Publisher :
Royal Society of Chemistry, Cambridge, United Kingdom
I. Willner B. Shlyahovsky M. Zayats B. Willner Chem. Soc. Rev. 2008 37 1153
T. Fu Y. Lyu H. Liu R. Peng X. Zhang M. Ye W. Tan Trends Biochem. Sci. 2018 43 547 560
D. Fan J. Wang E. Wang S. Dong Adv. Sci. 2020 2001766 10.1002/advs.202001766
H. Sun J. Ren X. Qu Acc. Chem. Res. 2016 49 461 470
L. Ceze J. Nivala K. Strauss Nat. Rev. Genet. 2019 20 456 466
G. Gines A. S. Zadorin J. C. Galas T. Fujii A. Estevez-Torres Y. Rondelez Nat. Nanotechnol. 2017 12 351 359
C. Mao T. H. LaBean J. H. Reif N. C. Seeman Nature 2000 407 493 496
X. Song J. Reif ACS Nano 2019 13 6256 6268
J. Li A. A. Green H. Yan C. Fan Nat. Chem. 2017 9 1056 1067
A. A. Green J. Kim D. Ma P. A. Silver J. J. Collins P. Yin Nature 2017 548 117 121
J. Hemphill A. Deiters J. Am. Chem. Soc. 2013 135 10512 10518
T. Li D. Ackermann A. M. Hall M. Famulok J. Am. Chem. Soc. 2012 134 3508 3516
Y. Hu A. Cecconello A. Idili F. Ricci I. Willner Angew. Chem., Int. Ed. 2017 56 15210 15233
H. Pei L. Liang G. Yao J. Li Q. Huang C. Fan Angew. Chem., Int. Ed. 2012 51 9020 9024
T. Li E. Wang S. Dong J. Am. Chem. Soc. 2009 131 15082 15083
K. S. Park C. Jung H. G. Park Angew. Chem. 2010 122 9951 9954
Y. Miyake H. Togashi M. Tashiro H. Yamaguchi S. Oda M. Kudo Y. Tanaka Y. Kondo R. Sawa T. Fujimoto T. Machinami A. Ono J. Am. Chem. Soc. 2006 128 2172 2173
L. Qian E. Winfree J. Bruck Nature 2011 475 368 372
L. Qian E. Winfree Science 2011 332 1196 1201
L. Feng Z. Lyu A. Offenhaüsser D. Mayer Angew. Chem., Int. Ed. 2015 54 7693 7697
R. Peng X. Zheng Y. Lyu L. Xu X. Zhang G. Ke Q. Liu C. You S. Huan W. Tan J. Am. Chem. Soc. 2018 140 9793 9796
J. Bath A. J. Turberfield Nat. Nanotechnol. 2007 2 275 284
G. Yao J. Li Q. Li X. Chen X. Liu F. Wang Z. Qu Z. Ge R. P. Narayanan D. Williams H. Pei X. Zuo L. Wang H. Yan B. L. Feringa C. Fan Nat. Mater. 2019 19 781 788
T. Song A. Eshra S. Shah H. Bui D. Fu M. Yang R. Mokhtar J. Reif Nat. Nanotechnol. 2019 14 1075 1081
D. Y. Zhang E. Winfree J. Am. Chem. Soc. 2009 131 17303 17314
G. Seelig D. Soloveichik D. Y. Zhang E. Winfree Science 2006 314 1585 1588
Y. Benenson B. Gil U. Ben-Dor R. Adar E. Shapiro Nature 2004 429 423 429
Y. Zhang Z. Shuai H. Zhou Z. Luo B. Liu Y. Zhang L. Zhang S. Chen J. Chao L. Weng Q. Fan C. Fan W. Huang L. Wang J. Am. Chem. Soc. 2018 140 3988 3993
J. Elbaz O. Lioubashevski F. Wang F. Remacle R. D. Levine I. Willner Nat. Nanotechnol. 2010 5 417 422
R. Orbach B. Willner I. Willner Chem. Commun. 2015 51 4144 4160
J. Zhang Y. Lu Angew. Chem., Int. Ed. 2018 57 9702 9706
S. Bi Y. Yan S. Hao S. Zhang Angew. Chem., Int. Ed. 2010 49 4438 4442
J. Zhu L. Zhang T. Li S. Dong E. Wang Adv. Mater. 2013 25 2440 2444
H. Lederman J. Macdonald D. Stefanovic M. N. Stojanovic Biochemistry 2006 45 1194 1199
J. Elbaz F. Wang F. Remacle I. Willner Nano Lett. 2012 12 6049 6054
A. J. Genot J. Bath A. J. Turberfield J. Am. Chem. Soc. 2011 133 20080 20083
R. Orbach F. Remacle R. D. Levine I. Willner Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2012 109 21228 21233
F. Wang H. Lv Q. Li J. Li X. Zhang J. Shi L. Wang C. Fan Nat. Commun. 2020 11 121
B. Fresch M. Cipolloni T.-M. Yan E. Collini R. D. Levine F. Remacle J. Phys. Chem. Lett. 2015 6 1714 1718
R. Orbach F. Remacle R. D. Levine I. Willner Chem. Sci. 2014 5 1074
H. Su J. Xu Q. Wang F. Wang X. Zhou Nat. Commun. 2019 10 5390
S. Chen Z. Xu W. Yang X. Lin J. Li J. Li H. Yang Angew. Chem., Int. Ed. 2019 58 18186 18190
W. Li Y. Yang H. Yan Y. Liu Nano Lett. 2013 13 2980 2988
D. Fan K. Wang J. Zhu Y. Xia Y. Han Y. Liu E. Wang Chem. Sci. 2015 6 1973 1978
H. Liu J. Wang S. Song C. Fan K. V. Gothelf Nat. Commun. 2015 6 10089
G. Chatterjee N. Dalchau R. A. Muscat A. Phillips G. Seelig Nat. Nanotechnol. 2017 12 920 927
C. Zhang J. Yang S. Jiang Y. Liu H. Yan Nano Lett. 2015 16 736 741
L. Yue S. Wang Z. Zhou I. Willner J. Am. Chem. Soc. 2020 142 52 21577 21594
G. Men J.-M. Lehn Chem. Sci. 2019 10 90 98
G. Vantomme S. Jiang J.-M. Lehn J. Am. Chem. Soc. 2014 136 9509 9518
F. C. Simmel B. Yurke H. R. Singh Chem. Rev. 2019 119 6326 6369
D. Y. Zhang A. J. Turberfield B. Yurke E. Winfree Science 2007 318 1121 1125
D. Y. Zhang G. Seelig Nat. Chem. 2011 3 103 113
A. Amodio B. Zhao A. Porchetta A. Idili M. Castronovo C. Fan F. Ricci J. Am. Chem. Soc. 2014 136 16469 16472
J.-L. Mergny D. Sen Chem. Rev. 2019 119 6290 6325
S. N. Georgiades N. H. AbdKarim K. Suntharalingam R. Vilar Angew. Chem., Int. Ed. 2010 49 4020 4034
Y. Kamiya H. Asanuma Acc. Chem. Res. 2014 47 1663 1672
Y. Kim J. A. Phillips H. Liu H. Kang W. Tan Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009 106 6489 6494
M. W. Haydell M. Centola V. Adam J. Valero M. Famulok J. Am. Chem. Soc. 2018 140 16868 16872
R. R. Breaker G. F. Joyce Chem. Biol. 1995 2 655 660
M. Famulok J. S. Hartig G. Mayer Chem. Rev. 2007 107 3715 3743
R. J. Lake Z. Yang J. Zhang Y. Lu Acc. Chem. Res. 2019 52 3275 3286
S. Wang L. Yue Z. Shpilt A. Cecconello J. S. Kahn J.-M. Lehn I. Willner J. Am. Chem. Soc. 2017 139 9662 9671
L. Yue S. Wang V. Wulf S. Lilienthal F. Remacle R. D. Levine I. Willner Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2019 116 2843 2848
L. Yue S. Wang S. Lilienthal V. Wulf F. Remacle R. D. Levine I. Willner J. Am. Chem. Soc. 2018 140 8721 8731
S. Wang L. Yue Z. Y. Li J. Zhang H. Tian I. Willner Angew. Chem., Int. Ed. 2018 57 8105 8109
Z. Zhou L. Yue S. Wang J.-M. Lehn I. Willner J. Am. Chem. Soc. 2018 140 12077 12089
L. Yue S. Wang I. Willner J. Am. Chem. Soc. 2019 141 16461 16470
L. Yue S. Wang V. Wulf I. Willner Nat. Commun. 2019 10 4774
Z. Zhou X. Liu L. Yue I. Willner ACS Nano 2018 12 10725 10735
Z. Zhou P. Zhang L. Yue I. Willner Nano Lett. 2019 19 7540 7547
R. Orbach S. Lilienthal M. Klein R. D. Levine F. Remacle I. Willner Chem. Sci. 2015 6 1288 1292
L. Yue V. Wulf S. Wang I. Willner Angew. Chem., Int. Ed. 2019 58 12238 12245
Z. Zhou J. Wang I. Willner J. Am. Chem. Soc. 2020 143 241 251
A. N. Boettiger B. Bintu J. R. Moffitt S. Wang B. J. Beliveau G. Fudenberg M. Imakaev L. A. Mirny C.-t. Wu X. Zhuang Nature 2016 529 418 422
V. B. E. Thomsen J. Chem. Educ. 2000 77 173 176
C. Zhang Y. Zhao X. Xu R. Xu H. Li X. Teng Y. Du Y. Miao H.-c. Lin D. Han Nat. Nanotechnol. 2020 15 709 715
