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

Het bestudeerde enzym-gebaseerde biokatalytische systeem bootst de NXOR Boolean logische poort na, wat een logische operator is die overeenkomt met gelijkheid in Boolean algebra. Het geeft de functionele waarde waar (1) als beide functionele argumenten (ingangssignalen) dezelfde logische waarde hebben (0,0 of 1,1), en onwaar (0) als ze verschillend zijn (0,1 of 1,0). De uitgangssignaal producerende reactie wordt gekatalyseerd door pyrroloquinoline quinone-afhankelijk glucose dehydrogenase (PQQ-GDH), dat wordt geremd bij zure en basische pH-waarden. Twee andere reacties, gekatalyseerd door esterase en urease, produceren respectievelijk azijnzuur en ammoniumhydroxide, waardoor de pH-waarde van de oplossing verschuift van de optimale pH-waarde voor PQQ-GDH naar zure en basische waarden (respectievelijk 1,0 en 0,1 inputcombinaties), waardoor de enzymactiviteit wordt uitgeschakeld (output 0). Wanneer de ingangssignalen niet worden toegepast (0,0 combinatie) of beide worden toegepast ter compensatie van elkaar (1,1 combinatie) blijft de optimale pH-waarde behouden, waardoor PQQ-GDH op de hoge snelheid blijft draaien (uitgang 1). De biokatalytische cascade die de NXOR-gate nabootst, werd optisch en elektrochemisch gekarakteriseerd. In de elektrochemische experimenten communiceerde het PQQ-GDH enzym elektronisch met een geleidende elektrode drager, wat resulteerde in de elektrokatalytische stroom wanneer signaalcombinaties 0,0 en 1,1 werden toegepast. De werking van de logische poort, toen deze elektrochemisch werd gerealiseerd, werd ook uitgebreid tot de biomoleculaire afgifte die door de poort werd gecontroleerd. Het afgiftesysteem omvatte twee elektroden, één die de NXOR-gate uitvoerde en een andere die geactiveerd werd voor de afgifte bij elektrochemisch gestimuleerde oplossing van alginaathydrogel. Het bestudeerde systeem vertegenwoordigt een algemene benadering van de biokatalytische realisatie van de NXOR-logische poort, die kan worden opgenomen in verschillende katalytische cascades die de werking van aaneengeschakelde poorten in geavanceerde logische circuits nabootsen.