生物酶计算器系统被发明

【字体: 时间:2006年03月13日 来源:生物通

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生物通报道:以色列希伯来大学的化学家Itamar Willner开发出了一套可进行运算的酶系统。这个系统利用两种酶组成ANDXORInhibAND逻辑门(logic gates),然后利用前二者或后二者的连结来进行二进制加减运算。

组成逻辑门的两种酶分别为辣根过氧化酶(horseradish peroxidase, HRP)和葡萄糖脱氢酶(glucose dehydrogenase, GDH),两个输入值(inputsAB则分别为过氧化氢(H2O2)和葡萄糖(glucose):若过氧化氢或葡萄糖存在则AB值为1,否则就是0HRP能通过烟酰胺腺嘌呤二核酸(NADH)将H2O2还原成H2O,而GDH能用氧化态烟酰胺腺嘌呤二核酸(NAD+)将葡萄糖氧化成葡萄糖酸(gluconic acid)。

H2O2 + NADH —> H2O + NAD+
glucose + NAD+ —> gluconic acid + NADH

NADH存在时,检测葡萄糖酸是否产生即可形成一个AND闸。葡萄糖酸与羟胺(hydroxylamine)、FeII)形成红色螯合物,可同对波长为500nm的光的吸收度得知葡萄糖酸产量。只有在(A,B = 1,1),也就是过氧化氢和葡萄糖都存在的时候,NADH 产生NAD+才能使葡萄糖转变成葡萄糖酸,得到输出值为1;(A,B=0,1)或(1,0)的状况下,也就是过氧化氢和葡萄糖两者中仅一存在的时候,都无法得到葡萄糖酸,因此输出值为0。这就形成了AND闸。

若一开始就有等量的NADHNAD+存在,并以NADH在波长340nm的吸收度变化作为输出值,则只有在(A,B=0,1)或(1,0)的时候,才能改变NADH / NAD+的比例,得到输出值1;若(A,B=1,1),则NADH量不变,输出值为0——这就是所谓的XOR闸。至于InhibAND闸,只有(A,B=0,1)才能得到输出值1,其余皆得到0。作法是一开始只加入NAD+,并在波长340nm检测NADH的产生。

ANDXOR闸组合或将XORInhibAND组合可分别得到半加器(half-adder)跟半减器(half-subtractor),将两个一位的二进制数相加减。Willner还设计出结合上述两种酶与葡萄糖氧化酶(glucose oxidase)、过氧化氢酶(catalase)所形成的四酶系统,其特点在于可在相同的空间内得到半加器,突破先前ANDXOR闸的容器必须分开的限制。

葡萄糖氧化酶:glucose + O2 —> gluconic acid + H2O2 过氧化氢酶: H2O2 —> O2 过去有不少应用化学分子、超分子做出逻辑闸的前例,但用酶反应来做运算的实例仍然屈指可数,而有许多的发展空间。Willner认为这种方法可望推广到各式各样的酶,其最终的目的并不在追求高效率的分子计算机,而是可望植入体内,计算复杂的生物代谢途径,或做药物传递(drug delivery)用途,例如监测病人对药剂的反应、计算如何释放药物到体内需要治疗的部位,以提升药物效率、避免对正常部位的副作用危害,或也可监控细胞生长,阻止细胞过度增生。

原始论文
R. Baron, O. Lioubashevski, E. Katz, T. Niazov, I. Willner, Angew. Chem. Intl. Ed. 2006, 45, 1572
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