Not-XOR (NXOR) Logic Gate Realizzato con reazioni catalizzate da enzimi: Optical and Electrochemical Signal Transduction

Il sistema biocatalitico a base enzimatica studiato imita la porta logica booleana NXOR, che è un operatore logico che corrisponde all’uguaglianza in algebra booleana. Dà il valore funzionale vero (1) se entrambi gli argomenti funzionali (segnali di ingresso) hanno lo stesso valore logico (0,0 o 1,1), e falso (0) se sono diversi (0,1 o 1,0). La reazione che produce il segnale di uscita è catalizzata dalla pirrolochinolina chinone-dipendente glucosio deidrogenasi (PQQ-GDH), che è inibita a valori di pH acidi e basici. Altre due reazioni catalizzate dall’esterasi e dall’ureasi producono rispettivamente acido acetico e idrossido di ammonio, spostando il pH della soluzione dal pH ottimale per la PQQ-GDH a valori acidi e basici (combinazioni di input 1,0 e 0,1, rispettivamente), spegnendo così l’attività enzimatica (output 0). Quando i segnali d’ingresso non sono applicati (combinazione 0,0) o sono applicati entrambi compensandosi a vicenda (combinazione 1,1), il pH ottimale è conservato, mantenendo così il PQQ-GDH in funzione al tasso elevato (uscita 1). La cascata biocatalitica che imita la porta NXOR è stata caratterizzata otticamente ed elettrochimicamente. Negli esperimenti elettrochimici l’enzima PQQ-GDH comunicava elettronicamente con un supporto elettrodico conduttore, dando così luogo alla corrente elettrocatalitica quando venivano applicate le combinazioni di segnali 0,0 e 1,1. Il funzionamento del gate logico, quando è stato realizzato elettrochimicamente, è stato esteso anche al rilascio biomolecolare controllato dal gate. Il sistema di rilascio comprendeva due elettrodi, uno che eseguiva il gate NXOR e un altro attivato per il rilascio su dissoluzione dell’idrogel di alginato stimolata elettrochimicamente. Il sistema studiato rappresenta un approccio generale alla realizzazione biocatalitica del gate logico NXOR, che può essere incluso in diverse cascate catalitiche che imitano il funzionamento dei gate concatenati in circuiti logici sofisticati.