DNA logic circuits with continuous input processing and memory functionality via reset-free toehold-mediated chain reaction

Abstract

DNA-based computing has emerged as a powerful strategy for implementing programmable information processing in biocompatible environments. However, most existing DNA logic circuits rely on explicit reset steps after signal propagation, which prevents continuous operation and limits their ability to support memory functions. These limitations significantly reduce the applicability of DNA logic systems to real-time computation. In this work, a reset-free DNA logic architecture is introduced using a toehold chain reaction mechanism that supports reversible and continuous strand exchange within a dual-rail configuration. Unlike conventional strand displacement schemes that become inactive after signal propagation, the proposed method allows signal strands to be rearranged in response to sequential inputs without consuming circuit components. To achieve reliable and scalable operation, the reaction elements are spatially organized on two-dimensional DNA origami templates. This platform enables the construction of fundamental combinational logic gates such as AND gates, as well as sequential memory units including set reset latches and data latches. Furthermore, these building blocks are integrated into cascaded structures that function as register-like circuits. Experimental results demonstrate that the proposed circuits repeatedly accept new inputs and preserve correct output states over multiple operation cycles without requiring external resetting. By enabling continuous operation without external reinitialization, the TCR-based framework establishes a molecular computing paradigm comparable to electronic circuits and opens new opportunities for applications in biosensing, diagnostics, and synthetic biology.|DNA 논리 회로는 뛰어난 생체 적합성과 프로그래밍 능력으로 인해 생체 내 연산을 위한 유망한 플랫폼으로 주목받고 있다. 그러나 기존 DNA 회로 설계는 시스템의 연속적인 데이터 처리 및 메모리 기능을 제한하는 필수적인 재설정(reset) 단계를 요구한다. 본 연구는 이 한계를 극복하기 위해 토우홀드 매개 연쇄 반응(TCR, toehold-mediated chain reaction)을 활용하는 새로운 재설정 없는 (reset-free) 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 이중 레일 (dual-rail) 장치 내에서 입력에 따라 지속적이고 가역적인 스트랜드 이동 (strand migration)을 가능하게 한다. 구체적으로, TCR 핵심 구성 요소들을 2차원 DNA 나노 종이접기 (origami) 주형 위에 정밀하게 국소화하여 안정성을 높이고 인접 구성 요소 간의 누화 (crosstalk)를 최소화했다. 이 플랫폼을 기반으로 기본적인 조합 논리 게이트 (AND 및 OR 게이트)는 물론, 데이터 보존 능력을 갖춘 메모리 요소 (예: 세트-재설정(set-reset) 래치 및 데이터 래치)를 성공적으로 구현하였다. 나아가, 연속적인 데이터 흐름 처리를 위한 계단식 레지스터(cascaded registers)와 같은 고급 회로도 입증하였다. 실험 결과, 개발된 회로들은 다수의 순차적 연산에 걸쳐 새로운 입력을 신속하게 처리하고 동시에 이전의 출력 상태를 안정적으로 유지하는 능력을 일관되게 보여주었다. 이 재설정 없는 TCR 기반 접근 방식은 전자 회로의 작동 원리와 가장 유사한 연속적인 논리 및 메모리 작동 메커니즘을 제공하며, 실시간 바이오센싱, 정밀 진단, 그리고 고급 합성 생물학 응용 분야에서 그 실질적인 잠재력을 입증한다.