Not-XOR (NXOR) Logic Gate Realized with Enzyme-Catalyzed Reactions: Transdução de Sinal Óptico e Electroquímico

O sistema biocatalítico baseado em enzimas estudado imita a porta lógica NXOR Booleana, que é um operador lógico que corresponde à igualdade na álgebra Booleana. Ela dá o valor funcional verdadeiro (1) se ambos os argumentos funcionais (sinais de entrada) tiverem o mesmo valor lógico (0,0 ou 1,1), e falso (0) se forem diferentes (0,1 ou 1,0). O sinal de saída que produz a reação é catalisado pela glicose desidrogenase dependente da pirroloquinolina (PQQ-GDH), que é inibida a valores de pH ácidos e básicos. Duas outras reacções catalisadas por esterase e urease produzem ácido acético e hidróxido de amónio, respectivamente, mudando o pH da solução óptima para PQQ-GDH para valores ácidos e básicos (1,0 e 0,1 combinações de entrada, respectivamente), desligando assim a actividade enzimática (saída 0). Quando os sinais de entrada não são aplicados (combinação 0,0) ou ambos são aplicados compensando um ao outro (combinação 1,1), o pH ótimo é preservado, mantendo assim o PQQQ-GDH funcionando na alta taxa (saída 1). A cascata biocatalítica que imita a porta NXOR foi caracterizada opticamente e electroquimicamente. Nos experimentos eletroquímicos, a enzima PQQQ-GDH comunicou-se eletronicamente com um suporte de eletrodo condutor, resultando assim na corrente eletrocatalítica quando as combinações de sinal 0,0 e 1,1 foram aplicadas. A operação da porta lógica, quando foi realizada eletroquimicamente, também foi estendida para a liberação biomolecular controlada pela porta. O sistema de liberação incluiu dois eletrodos, um executando a porta NXOR e outro ativado para a liberação após a dissolução do hidrogel de alginato estimulado eletroquimicamente. O sistema estudado representa uma abordagem geral para a realização biocatalítica da porta lógica NXOR, que pode ser incluída em diferentes cascatas catalíticas que imitam a operação de portões concatenados em circuitos lógicos sofisticados.