酵素触媒反応で実現するNot-XOR (NXOR) Logic Gate。 Optical and Electrochemical Signal Transduction

研究した酵素を用いた生体触媒系は、ブール代数における等式に対応する論理演算子であるNXORブール論理ゲートを模倣している。 入力信号の論理値が同じ（0,0または1,1）であれば真（1）、異なる（0,1または1,0）であれば偽（0）の論理値を与える。 出力信号の生成反応はピロロキノリンキノン依存性グルコースデヒドロゲナーゼ（PQQ-GDH）が触媒し、酸性および塩基性のpH値で阻害される。 また、エステラーゼとウレアーゼが触媒する2つの反応により、それぞれ酢酸と水酸化アンモニウムが生成され、溶液のpHがPQQ-GDHの至適pHから酸性と塩基性にシフトし（それぞれ1,0と0,1の入力組み合わせ）、酵素活性がオフ（出力0）となっている。 入力信号を印加しない場合（0,0の組み合わせ）、または両方を印加して互いに補正する場合（1,1の組み合わせ）、最適なpHが維持されるため、PQQ-GDHは高いレートで動作し続ける（出力1）。 NXORゲートを模倣した生体触媒カスケードは、光学的および電気化学的に特性評価された。 電気化学的実験では、PQQ-GDH酵素が導電性電極支持体と電子的に通信し、0,0および1,1の信号の組み合わせで電極触媒電流が発生した。 また、電気化学的に実現された論理ゲートの動作は、ゲートによって制御される生体分子の放出にも拡張された。 放出系には2つの電極があり、1つはNXORゲートを実行し、もう1つは電気化学的に刺激されたアルギン酸ヒドロゲルの溶解時に放出用に活性化されたものである。 このシステムは、NXOR論理ゲートの生体触媒的実現への一般的なアプローチであり、高度な論理回路における連結ゲートの動作を模倣したさまざまな触媒カスケードに含めることができる。