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酵素計算機

2011/02/10 | 未分類 |

Original publish date:Mar 10, 2006

編輯 wakenstep 報導

以色列希伯來大學的化學家Itamar Willner發展出一套可進行運算的酵素系統—利用兩種酵素組成AND、XOR及InhibAND邏輯閘(logic gates),再透過前二者或後二者的連結來進行二進位加減運算。

組成邏輯閘的兩種酵素為辣根過氧化酶(horseradish peroxidase, HRP)及葡萄糖去氫酶(glucose dehydrogenase, GDH),兩個輸入值(inputs)A、B則分別為過氧化氫(H2O2)和葡萄糖(glucose),若過氧化氫或葡萄糖存在則A或B值為1,否則就是0。HRP能藉由煙醯胺腺嘌呤二核酸(NADH)將H2O2還原成H2O,GDH能用氧化態煙醯胺腺嘌呤二核酸(NAD+)將葡萄糖氧化成葡萄糖酸(gluconic acid)。

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

當NADH存在時,偵測葡萄糖酸是否產生即可形成一個AND閘。葡萄糖酸與羥胺(hydroxylamine)、Fe(II)形成紅色錯合物,因此由波長500nm吸收度可得知葡萄糖酸產量。只有在(A,B) = (1,1),也就是過氧化氫和葡萄糖都存在的時候,NADH 產生NAD+才能使葡萄糖轉變成葡萄糖酸,得到輸出值為1。(A,B) = (0,1)或(1,0)的狀況下,也就是過氧化氫和葡萄糖兩者中僅一存在的時候,都無法得到葡萄糖酸,因此輸出值為0。這就形成了AND閘。

若一開始就有等量的NADH和NAD+存在,並以NADH在波長340nm的吸收度變化作為輸出值,則只有在(A,B) = (0,1)或(1,0)的時候,才能改變NADH / NAD+的比例,得到輸出值1;若(A,B) = (1,1),則NADH量不變,輸出值為0。此即為XOR閘。至於InhibAND閘,只有(A,B) = (0,1)才能得到輸出值1,其餘皆得到0。作法是一開始只加入NAD+,並在波長340nm偵測NADH的產生。

將AND和XOR閘組合或將XOR和InhibAND組合可分別得到半加器(half-adder)跟半減器(half-subtractor),將兩個一位的二進位數字相加減。Willner更設計出結合前述兩種酵素與葡萄糖氧化酶(glucose oxidase)、過氧化氫酶(catalase)所形成的四酵素系統,其特點在於可在相同的空間內得到半加器,突破先前AND、XOR閘的容器必須分開的限制。

葡萄糖氧化酶:glucose + O2 —> gluconic acid + H2O2
過氧化氫酶: H2O2 —> O2

過去有不少應用化學分子、超分子做出邏輯閘的前例,但用酵素反應來做運算的實例仍然屈指可數,而有許多的發展空間。Willner認為這種方法可望推廣到各式各樣的酵素,其最終的目的並不在追求高效率的分子電腦,而是可望植入體內,計算複雜的生物代謝途徑,或做藥物傳遞(drug delivery)用途,例如監測病人對藥劑的反應、計算如何釋放藥物到體內需要治療的部位,以提升藥物效率、避免副作用對正常部位的危害,或也可監控細胞生長,阻止細胞過度增生。

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

參考來源:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [Aug 06, 2003] 有機分子記憶體
  • [Jun 09, 2001] 分子開關(molecular switches)式電腦記憶體

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