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

A vizsgált enzim alapú biokatalitikus rendszer utánozza az NXOR Boolean logikai kaput, amely egy logikai operátor, amely a Boole algebrában az egyenlőségnek felel meg. Igaz (1) funkcionális értéket ad, ha mindkét funkcionális argumentum (bemeneti jel) azonos logikai értékű (0,0 vagy 1,1), és hamis (0), ha különbözőek (0,1 vagy 1,0). A kimeneti jelet előállító reakciót a pirrolokinolin-kinon-függő glükóz-dehidrogenáz (PQQ-GDH) katalizálja, amely savas és bázikus pH-értékeknél gátolt. Két másik, észteráz és ureáz által katalizált reakció ecetsavat, illetve ammónium-hidroxidot termel, ami az oldat pH-értékét a PQQ-GDH számára optimális pH-értéktől savas és bázikus értékekre tolja el (1,0, illetve 0,1 bemeneti kombinációk), így az enzimaktivitás kikapcsol (kimenet 0). Ha a bemeneti jeleket nem alkalmazzuk (0,0 kombináció) vagy mindkettőt egymást kompenzálva alkalmazzuk (1,1 kombináció), akkor az optimális pH megmarad, így a PQQQ-GDH továbbra is nagy sebességgel működik (kimenet 1). Az NXOR-kaput utánzó biokatalitikus kaszkádot optikailag és elektrokémiailag jellemeztük. Az elektrokémiai kísérletekben a PQQ-GDH enzim elektronikusan kommunikált egy vezető elektróda hordozóval, így 0,0 és 1,1 jelkombinációk alkalmazása esetén elektrokatalitikus áramot eredményezett. A logikai kapu működése, amikor elektrokémiai úton valósult meg, a kapu által vezérelt biomolekuláris felszabadulásra is kiterjedt. A felszabadító rendszer két elektródát tartalmazott, az egyik az NXOR-kaput hajtotta végre, a másik pedig az elektrokémiailag stimulált alginát-hidrogél feloldódásakor aktiválódott a felszabadulásra. A vizsgált rendszer általános megközelítést képvisel az NXOR logikai kapu biokatalitikus megvalósítására, amely különböző katalitikus kaszkádokba illeszthető, amelyek a bonyolult logikai áramkörökben az összekapcsolt kapuk működését utánozzák.