Not-XOR (NXOR) Logic Gate Realized with Enzyme-Catalyzed Reactions: Optisk og elektrokemisk signaltransduktion

Det undersøgte enzymbaserede biokatalytiske system efterligner NXOR Boolean logic gate, som er en logisk operatør, der svarer til lighed i Boolean algebra. Den giver den funktionelle værdi sand (1), hvis begge funktionelle argumenter (indgangssignaler) har den samme logiske værdi (0,0 eller 1,1), og falsk (0), hvis de er forskellige (0,1 eller 1,0). Den reaktion, der frembringer udgangssignalet, katalyseres af pyrroloquinolinkinonafhængig glukosedehydrogenase (PQQ-GDH), som hæmmes ved sure og basiske pH-værdier. To andre reaktioner, der katalyseres af esterase og urease, producerer henholdsvis eddikesyre og ammoniumhydroxid og flytter opløsningens pH-værdi fra den optimale pH-værdi for PQQQ-GDH til sure og basiske værdier (henholdsvis 1,0 og 0,1 inputkombinationer), hvorved enzymaktiviteten slukkes (output 0). Når indgangssignalerne ikke anvendes (0,0-kombination) eller begge anvendes og kompenserer hinanden (1,1-kombination), bevares den optimale pH-værdi, hvorved PQQQ-GDH fortsat kører med den høje hastighed (output 1). Den biokatalytiske kaskade, der efterligner NXOR-porten, blev karakteriseret optisk og elektrokemisk. I de elektrokemiske eksperimenter kommunikerede PQQQ-GDH-enzymet elektronisk med en ledende elektrodebærer, hvilket resulterede i den elektrokatalytiske strøm, når signalkombinationerne 0,0 og 1,1 blev anvendt. Den logiske gate-operation, når den blev realiseret elektrokemisk, blev også udvidet til at omfatte den biomolekylære frigivelse, der blev kontrolleret af gaten. Frigivelsessystemet omfattede to elektroder, hvoraf den ene udførte NXOR-gaten og den anden blev aktiveret til frigivelse ved elektrokemisk stimuleret opløsning af alginathydrogel. Det undersøgte system repræsenterer en generel tilgang til den biokatalytiske realisering af NXOR-logikporten, som kan indgå i forskellige katalytiske kaskader, der efterligner driften af sammenkædede porte i sofistikerede logiske kredsløb.