Porte logique non-XOR (NXOR) réalisée avec des réactions catalysées par des enzymes : Transduction du signal optique et électrochimique

Le système biocatalytique à base d’enzymes étudié imite la porte logique booléenne NXOR, qui est un opérateur logique qui correspond à l’égalité dans l’algèbre de Boole. Il donne la valeur fonctionnelle vrai (1) si les deux arguments fonctionnels (signaux d’entrée) ont la même valeur logique (0,0 ou 1,1), et faux (0) s’ils sont différents (0,1 ou 1,0). La réaction produisant le signal de sortie est catalysée par la glucose déshydrogénase pyrroloquinoline quinone-dépendante (PQQ-GDH), qui est inhibée aux pH acides et basiques. Deux autres réactions catalysées par l’estérase et l’uréase produisent de l’acide acétique et de l’hydroxyde d’ammonium, respectivement, déplaçant le pH de la solution du pH optimal pour la PQQ-GDH vers des valeurs acides et basiques (combinaisons d’entrée 1,0 et 0,1, respectivement), ce qui désactive l’activité enzymatique (sortie 0). Lorsque les signaux d’entrée ne sont pas appliqués (combinaison 0,0) ou que les deux sont appliqués en se compensant mutuellement (combinaison 1,1), le pH optimal est préservé, ce qui permet à la PQQ-GDH de continuer à fonctionner à un taux élevé (sortie 1). La cascade biocatalytique imitant la porte NXOR a été caractérisée optiquement et électrochimiquement. Dans les expériences électrochimiques, l’enzyme PQQ-GDH communique électroniquement avec un support d’électrode conducteur, ce qui entraîne le courant électrocatalytique lorsque les combinaisons de signaux 0,0 et 1,1 sont appliquées. Le fonctionnement de la porte logique, lorsqu’il a été réalisé par voie électrochimique, a également été étendu à la libération biomoléculaire contrôlée par la porte. Le système de libération comprenait deux électrodes, l’une réalisant la porte NXOR et l’autre étant activée pour la libération lors de la dissolution de l’hydrogel d’alginate stimulée par voie électrochimique. Le système étudié représente une approche générale de la réalisation biocatalytique de la porte logique NXOR, qui peut être incluse dans différentes cascades catalytiques imitant le fonctionnement de portes concaténées dans des circuits logiques sophistiqués.