强大的信息处理和无处不在的计算对于所有的机器和生命来说都是至关重要的。构建人造的分子信息处理系统能为我们更好地理解蕴藏在生命之中的智能提供潜在的帮助。沃森-克里克碱基互补配对原则赋予了DNA优秀的识别能力和组装能力,而这些促进了构建DNA计算机来达到智能系统。尽管过去二十多年中,科学家们付出了许多的努力来构建DNA运算系统,然而目前DNA运算系统仍受困于不良的整合效率、复杂的设备结构和有限的功能。本论文基于DNA聚合酶介导的链置换反应设计了的单路与（AND）门和单路或（OR）门两个DNA基础逻辑门。聚合酶的引入赋予了构建DNA逻辑门高效运算的能力,这满足了构建多重和级联运算线路的需要。同时,得益于简单的组成和紧凑的结构,两个逻辑门的设计相对于传统基于无酶链置换反应的构建节约了一半以上的DNA链,有效提高了DNA逻辑门的性价比,为构建复杂DNA运算线路提供了可能。通过将单路与门结构和单路或门结构并联,一系列的双路DNA逻辑门被成功建造,实现了逻辑功能完全集,能用于任意逻辑表达的构建,赋予了DNA计算系统强大的逻辑线路构建能力。同时,模块化的逻辑门结构为序列的设计和DNA器件的组装带来了方便。进一步的,基于级联的双路DNA逻辑门运算线路,DNA一位全加器和数据选择器MUX4:1两个常见的电子器件也被成功构建,这赋予DNA计算系统算术运算能力和为构建DNA集成电路（Integrated circuits,ICs）提供了可能。最后,基于高效运转的两个器件整合构建了由74条DNA链组装的27个DNA器件组成算术逻辑单元,该算术逻辑单元能根据给定的操作命令从设计的三个逻辑功能（与非门、与门、或门）和一个算术功能中选取一个进行相应的操作。算术逻辑单元（Arithmetic logic unit,ALU）是一个多功能设备,它能用于直接组装数字计算机中的中央处理器（Central processing unit,CPU）,是几乎所有电子计算机的核心组成,它在DNA器件上的成功实现验证了DNA强大的计算能力,为DNA计算机的构建提供了重要元件。此外,通过一系列的优化实验,为DNA运算系统的高效运行提供了保障,并指出了本论文设计的DNA运算系统产生信号泄漏的主要因素和未来进一步扩大运算系统规模、提高运算系统能力时可能出现的挑战。面对这些挑战并基于目前各种DNA纯化合成的新技术逐一指出了可能的解决方案。最后,DNA逻辑运算系统提供了一个构建大规模复杂的DNA计算机系统的灵巧策略,探索了分子系统潜在的信息处理能力,并揭示了在复杂的生物分子系统中构建对分子行为程序化控制的可能。同时,DNA计算机系统能与适配子、核酶、体外转录等其它核酸应用的方便偶联,用于提供一个基于分子系统的分析和控制平台,具有广阔的应用前景。