Not-XOR (NXOR) Logic Gate Realized with Enzyme-Catalyzed Reactions: Optical and Electrochemical Signal Transduction

Tutkittu entsyymipohjainen biokatalyyttinen järjestelmä jäljittelee NXOR Boolen logiikkaporttia, joka on looginen operaattori, joka vastaa tasa-arvoa Boolen algebrassa. Se antaa funktionaalisen arvon true (1), jos molemmilla funktionaalisilla argumenteilla (tulosignaaleilla) on sama looginen arvo (0,0 tai 1,1), ja false (0), jos ne ovat erilaisia (0,1 tai 1,0). Lähtösignaalia tuottavaa reaktiota katalysoi pyrrolokinoliinikvinoni-riippuvainen glukoosidehydrogenaasi (PQQ-GDH), joka estyy happamissa ja emäksisissä pH-arvoissa. Kaksi muuta esteraasin ja ureaasin katalysoimaa reaktiota tuottavat etikkahappoa ja ammoniumhydroksidia, jotka siirtävät liuoksen pH:n PQQ-GDH:n optimaalisesta pH:sta happamiin ja emäksisiin arvoihin (tuloyhdistelmät 1,0 ja 0,1), jolloin entsyymiaktiivisuus kytkeytyy pois päältä (lähtö 0). Kun syöttösignaaleja ei käytetä (0,0-yhdistelmä) tai molempia käytetään toisiaan kompensoiden (1,1-yhdistelmä), optimaalinen pH säilyy, jolloin PQQ-GDH:n toiminta jatkuu korkealla nopeudella (lähtö 1). NXOR-porttia jäljittelevä biokatalyyttinen kaskadi luonnehdittiin optisesti ja sähkökemiallisesti. Sähkökemiallisissa kokeissa PQQ-GDH-entsyymi kommunikoi sähköisesti johtavan elektrodituen kanssa, mikä johti sähkökatalyyttiseen virtaan, kun signaaliyhdistelmiä 0,0 ja 1,1 käytettiin. Logiikkaportin toiminta, kun se toteutettiin sähkökemiallisesti, ulotettiin myös portin ohjaamaan biomolekyylien vapautumiseen. Vapauttamisjärjestelmä sisälsi kaksi elektrodia, joista toinen suoritti NXOR-portin ja toinen aktivoitui vapautumiseen sähkökemiallisesti stimuloidun alginaattihydrogeelin liukenemisen yhteydessä. Tutkittu järjestelmä edustaa yleistä lähestymistapaa NXOR-logiikkaportin biokatalyyttiseen toteuttamiseen, joka voidaan sisällyttää erilaisiin katalyyttisiin kaskadeihin, jotka jäljittelevät ketjutettujen porttien toimintaa kehittyneissä logiikkapiireissä.