Toehold介导的DNA链置换分子电路能够为DNA自组装纳米结构提供动态响应的能力,在DNA计算、生物分子的调控与检测、分子马达的构建等领域具有广泛的应用。目前,基于DNA链置换反应的分子电路存在以下三个重要问题亟待解决:第一,链置换反应发生的过程不受控制。只要暴露的Toehold区域与置换链同时存在,链置换反应将会立即发生。第二,在反应过程中废物链将会持续积累。链置换反应发生之后将会产生完全互补的双链DNA结构（废物链）,而该结构不能够继续参与反应并且影响反应效率。第三,大规模DNA分子电路的序列复杂度过高。随着DNA分子电路规模的增大,其序列设计的复杂度将会急剧增加。本学位论文针对上述三个问题开展研究,主要工作与创新如下:针对链置换反应发生不受控制这一问题,提出了一种酶辅助的Toehold调控机制。该机制通过加入特定的Nicking酶来实现对DNA链置换反应中的Toehold区域进行动态增加或移除,从而控制DNA分子电路中链置换反应的发生。利用这一机制,设计了一套受Nicking酶调控的基于蛋白质-核酸的逻辑运算系统,并且用其构建了一个两通道DNA多路复用器电路。实验结果表明,所提出的Toehold调控机制具有高可靠性、鲁棒性,适用于复杂DNA分子电路系统的构建。此外,对Toehold可调DNA分子电路进行了数据拟合,计算出各反应的反应速率常数,分析了反应中各物质的变化趋势。针对链置换反应中废物链将会持续积累这一问题,提出了一种Nicking酶辅助的产物循环利用策略。该策略通过Nicking酶的催化作用,将反应中最后一步产生的Waste结构重新转换为反应物Gate结构,新生成的Gate结构可以继续参与分子电路中的反应。设计了单层和级联的产物循环利用DNA分子电路并用凝胶电泳和荧光标记等手段加以验证。实验结果表明,所构建的产物循环利用DNA分子电路能够在不消耗Gate结构的情况下大量催化并消耗溶液中的燃料链,显著提高了DNA分子电路中反应物的利用效率。此外,对产物循环利用DNA分子电路进行了数据拟合,计算出各反应的反应速率常数,分析了不同反应物在反应中的不同功能。针对大规模DNA分子电路的序列复杂度过高这一问题,提出了一种DNA模糊链置换反应模型。该模型能够以合并相似功能DNA链的方式简化DNA分子电路的序列复杂度。用Klenow DNA聚合酶实现了这一模型,并采用模块化设计构建了转换器、报告器、模糊探测器以及模糊触发器等模块。进一步地,将上述模块进行级联,通过一个DNA序列模式识别分子电路验证了该模型对序列复杂度的简化能力。此外,对模糊DNA分子电路进行了数据拟合,计算出各反应的反应速率常数,分析了不同情况下Klenow DNA聚合酶的聚合酶活性和外切酶活性的相对强度。