Not-XOR (NXOR) Logic Gate Realized with Enzyme-Catalyzed Reactions: Optisk och elektrokemisk signaltransduktion

Det studerade enzymbaserade biokatalytiska systemet efterliknar NXOR Boolean logic gate, som är en logisk operatör som motsvarar jämlikhet i Booleansk algebra. Den ger det funktionella värdet sant (1) om båda funktionella argumenten (insignaler) har samma logiska värde (0,0 eller 1,1) och falskt (0) om de är olika (0,1 eller 1,0). Den reaktion som producerar utgångssignalen katalyseras av pyrroklokinolinkinonberoende glukosdehydrogenas (PQQ-GDH), som hämmas vid sura och basiska pH-värden. Två andra reaktioner som katalyseras av esteras och ureas producerar ättiksyra respektive ammoniumhydroxid, vilket förskjuter lösningens pH-värde från det optimala pH-värdet för PQQ-GDH till sura och basiska värden (ingångskombinationer på 1,0 respektive 0,1), vilket leder till att enzymaktiviteten stängs av (utgång 0). När ingångssignalerna inte används (0,0-kombination) eller när båda används och kompenserar varandra (1,1-kombination) bibehålls det optimala pH-värdet, vilket gör att PQQ-GDH fortsätter att arbeta med hög hastighet (utgång 1). Den biokatalytiska kaskaden som efterliknar NXOR-porten karakteriserades optiskt och elektrokemiskt. I de elektrokemiska experimenten kommunicerade PQQQ-GDH-enzymet elektroniskt med ett ledande elektrodunderlag, vilket resulterade i den elektrokatalytiska strömmen när signalkombinationerna 0,0 och 1,1 tillämpades. Den logiska grindoperationen, när den förverkligades elektrokemiskt, utvidgades också till att omfatta den biomolekylära frisättning som styrs av grinden. Frisättningssystemet innehöll två elektroder, en som utförde NXOR-porten och en annan som aktiverades för frisättning vid elektrokemiskt stimulerad upplösning av alginathydrogel. Det studerade systemet representerar ett allmänt tillvägagångssätt för det biokatalytiska förverkligandet av den logiska NXOR-grinden, som kan ingå i olika katalytiska kaskader som efterliknar driften av sammankopplade grindar i sofistikerade logiska kretsar.