Puerta lógica Not-XOR (NXOR) realizada con reacciones catalizadas por enzimas: Transducción de señales ópticas y electroquímicas

El sistema biocatalítico estudiado basado en enzimas imita la puerta lógica booleana NXOR, que es un operador lógico que corresponde a la igualdad en el álgebra booleana. Da el valor funcional verdadero (1) si ambos argumentos funcionales (señales de entrada) tienen el mismo valor lógico (0,0 o 1,1), y falso (0) si son diferentes (0,1 o 1,0). La reacción que produce la señal de salida está catalizada por la glucosa deshidrogenasa dependiente de la pirroloquinolina (PQQ-GDH), que se inhibe a valores de pH ácidos y básicos. Otras dos reacciones catalizadas por la esterasa y la ureasa producen ácido acético e hidróxido de amonio, respectivamente, desplazando el pH de la solución del pH óptimo para la PQQ-GDH a valores ácidos y básicos (combinaciones de entrada 1,0 y 0,1, respectivamente), desactivando así la actividad enzimática (salida 0). Cuando no se aplican las señales de entrada (combinación 0,0) o se aplican ambas compensándose mutuamente (combinación 1,1) se mantiene el pH óptimo, con lo que la PQQ-GDH sigue funcionando a un ritmo elevado (salida 1). La cascada biocatalítica que imita la puerta NXOR se caracterizó óptica y electroquímicamente. En los experimentos electroquímicos, la enzima PQQ-GDH se comunicaba electrónicamente con un soporte de electrodo conductor, dando lugar a la corriente electrocatalítica cuando se aplicaban las combinaciones de señales 0,0 y 1,1. El funcionamiento de la puerta lógica, cuando se realizó electroquímicamente, se extendió también a la liberación biomolecular controlada por la puerta. El sistema de liberación incluía dos electrodos, uno que realizaba la puerta NXOR y otro que se activaba para la liberación tras la disolución del hidrogel de alginato estimulada electroquímicamente. El sistema estudiado representa una aproximación general a la realización biocatalítica de la puerta lógica NXOR, que puede incluirse en diferentes cascadas catalíticas imitando el funcionamiento de puertas concatenadas en sofisticados circuitos lógicos.