Cálculo lógico de nanopartículas individuales en LNT. (A) Esquemas de la plataforma LNT. Dos tipos de nanopartículas modificadas con ADN, receptor inmóvil (R) y flotador móvil (F), están atados a un SLB y monitoreados por DFM. (B) Pares R – F como puertas lógicas booleanas de nanopartículas. Cada puerta lógica toma ADN como entradas y produce un ensamblaje o un desensamblaje entre las dos partículas como salida. Las flechas bidireccionales denotan interacciones R – F. No se representan los ligandos de ADN de superficie. (C) Puertas SÍ de nanopartículas simples. Los dominios funcionales están representados por colores y números subindicados con puntas de flecha que indican sus extremos 3 '. Los asteriscos denotan complementariedad. Los círculos brillantes detrás de los dímeros R – F ilustran el acoplamiento plasmónico. (D) Análisis de imágenes. Un algoritmo de seguimiento de una sola partícula identifica primero las señales del receptor a partir de una secuencia de imágenes sin procesar. Después, las señales detectadas se muestrean y se utilizan para generar una nueva película de campo oscuro que visualiza solo las señales del receptor. (E) Análisis cinético. Se proporcionan instantáneas de solo receptor (arriba) y un gráfico de cinética (abajo) de la puerta YES del ensamblaje para cada condición de entrada. Se obtiene una gráfica cinética contando acumulativamente el número de receptores de cambio de estado a lo largo del tiempo. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aau2124
Las nanopartículas se pueden utilizar como sustratos para el cálculo, con control algorítmico y autónomo de sus propiedades únicas. Sin embargo, En la actualidad, falta una arquitectura escalable para formar sistemas informáticos basados en nanopartículas. En un estudio reciente publicado en Avances de la ciencia , Jinyoung Seo y sus compañeros de trabajo en el Departamento de Química de la Universidad Nacional de Seúl en Corea del Sur, informó sobre una plataforma de nanopartículas incorporada con puertas lógicas y circuitos al nivel de una sola partícula. Implementaron la plataforma en una bicapa lipídica de soporte. Inspirado en las membranas celulares en biología que compartimentan y controlan las redes de señalización, los científicos llamaron a la plataforma "nanotableta de lípidos" (LNT). Para realizar nano-bio-computación, utilizaron una bicapa lipídica como placa de circuito químico y las nanopartículas como unidades de cálculo.
En una nanotableta de lípidos en solución, Seo y col. estableció que una sola puerta lógica de nanopartículas detecta moléculas como entradas y desencadena el ensamblaje o desensamblaje de partículas como salida. Demostraron operaciones lógicas booleanas junto con el abanico de entrada / salida de puertas lógicas y un circuito lógico combinatorio como multiplexor en el estudio. Los científicos imaginan que el enfoque novedoso podría modular los circuitos de nanopartículas en bicapas lipídicas para diseñar nuevos paradigmas y puertas de enlace en la computación molecular. circuitos de nanopartículas y nanociencia de sistemas, en el futuro.
La materia se puede fusionar con el cálculo en muchas escalas de longitud, que van desde gotitas de tamaño micro en la lógica de burbujas de microfluidos y micropartículas hasta biomoléculas y máquinas moleculares. La implementación de la computación en nanopartículas permanece sin explorar, a pesar de una amplia gama de aplicaciones que podrían beneficiarse de la capacidad de controlar algorítmicamente la útil fotónica, eléctrico, magnético, propiedades catalíticas y materiales de las nanopartículas. Actualmente, estas propiedades son inaccesibles a través de sistemas moleculares. Idealmente, Los sistemas de nanopartículas equipados con capacidades informáticas pueden formar circuitos de nanopartículas para realizar de forma autónoma tareas complejas en respuesta a estímulos externos para combinar el flujo de materia e información a nanoescala.
Un enfoque existente para usar nanopartículas como sustratos para la computación es funcionalizar las partículas con ligandos que responden a estímulos. Un grupo de tales nanopartículas modificadas luego realizará operaciones lógicas elementales que responden a una variedad de entradas químicas y físicas. Los científicos tienen como objetivo utilizar una nanopartícula individual como nanopartes modulares e implementar un cálculo deseado de una manera plug-and-play. Sin embargo, existen dificultades para cablear compuertas lógicas múltiples integradas en la fase de solución ya que es un desafío controlar la difusión de entradas, Puertas lógicas y salida en espacio 3D. Para resolver este desafío, los científicos se inspiraron en la membrana celular; un equivalente biológico de una placa de circuito que puede albergar una variedad de proteínas receptoras como unidades computacionales. En naturaleza, Las proteínas compartimentadas interactúan con los receptores como una red para realizar funciones complejas. Las membranas también pueden permitir que ocurran procesos de computación paralelos y, por lo tanto, los científicos de materiales se inspiraron para reconfigurar el fenómeno biológico.
Imágenes de campo oscuro con lapso de tiempo de una puerta SÍ de ensamblaje de nanopartículas. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aau2124.
Bioinspirado por membranas celulares, En el presente estudio, Seo y col. demostró una plataforma informática de nanopartículas basada en bicapas lipídicas. Como prueba de principio, utilizaron nanopartículas plasmónicas de dispersión de luz para construir componentes de circuitos, ADN como ligandos de superficie e insumos moleculares junto con interacciones biotina-estreptavidina para unir las nanopartículas a la bicapa lipídica. Después de fijar las nanopartículas a una bicapa lipídica soportada (SLB), proporcionaron varias características clave en los experimentos;
Los científicos implementaron nano-bio-computación en la interfaz de nanoestructuras y biomoléculas, donde la información molecular en solución (entrada) se tradujo en un ensamblaje / desmontaje dinámico de nanopartículas en una bicapa lipídica (salida). Como componente clave de un LNT, Seo y col. diseñó una cámara de flujo con una bicapa lipídica recubierta en la parte inferior del sustrato.
La visualización de solo receptor de una película de campo oscuro. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aau2124.
Para construir nanotabletas de lípidos en la configuración experimental, los científicos utilizaron tres componentes clave:pequeñas vesículas unilaminares (SUV), cámaras de flujo de vidrio y nanopartículas plasmónicas funcionalizadas con ADN. Las nanopartículas modificadas con ADN se adhirieron a la bicapa lipídica para formar puertas lógicas y circuitos que procesaban la información molecular. Los científicos clasificaron las nanopartículas funcionalizadas en receptores inmóviles (reporteros para computación) o flotadores móviles (portadores de información de computación). En este contexto, Los flotadores eran "cables" que transportaban información de las compuertas aguas arriba a las compuertas aguas abajo a través de una sólida difusión lateral. Caracterizaron las nanopartículas para validar sus propiedades materiales antes de construir los circuitos experimentales.
Seo y col. utilizó imágenes de microscopía de campo oscuro (DFM) para medir el rendimiento de las puertas lógicas de nanopartículas en respuesta a las entradas moleculares en la solución. Cuando se obtuvieron secuencias de imágenes de campo oscuro a partir de las operaciones lógicas, el científico los procesó y cuantificó mediante un proceso de análisis de imágenes personalizado.
En total, Los científicos diseñaron puertas lógicas booleanas de nanopartículas y operaciones de montaje y desmontaje de puertas YES de nanopartículas individuales en tiempo real. Las puertas YES de nanopartículas individuales formaron los ejemplos más simples del estudio. Para detectar las señales de dispersión de una puerta lógica de nanopartículas, los científicos se basaron en el acoplamiento plasmónico entre dos partículas centrales que componían la puerta. Para formar las nanopartículas, Seo y col. nanobarras de oro sintetizadas con conchas de plata, nanoesferas de oro y nanoesferas de plata sobre semillas de oro denominadas rojas, nanopartículas verdes y azules para exhibir rojo, señales de dispersión verde y azul en el estudio. Los científicos representaron el comportamiento de las nanopartículas controladas por lógica de una manera simple, gráfico de reacción de nanopartículas para mostrar una reacción de ensamblaje de un flotador a un receptor y una reacción de desensamblaje, proporcionando una vista intuitiva del comportamiento de cada puerta lógica de nanopartículas.
Principios de diseño para puertas lógicas de nanopartículas. (A) Resumen gráfico del concepto generalizable. Ilustración del ensamblaje / desensamblaje de nanopartículas mediadas por efectores Se proporcionan las puertas SÍ (izquierda) y la tabla de verdad para el concepto (derecha). Se requiere un par efector-ligando selectivo y un par efector-quelante para la construcción de puertas lógicas de montaje / desmontaje. Para construir una puerta lógica usando dos nanopartículas, Las interacciones de "unión" en la interfaz receptor-flotante deben programarse de tal manera que los enlaces se formen (mediante ensamblaje) o se escindan (mediante desensamblaje) solo si dos entradas moleculares satisfacen la lógica Y u OR. (B) Two-input Assembly AND gate. (C) Two-input Assembly OR gate. Assembly reactions are controlled by AND logic when the bond-forming interaction require the serial activation by the two inputs and by OR logic when the bond-forming interaction is controlled in parallel. (D) Two-input Disassembly AND gate. (E) Two-input Disassembly OR gate. Similar, Disassembly reactions are modulated by AND logic via parallel disconnection and by OR logic via serial disconnection. (F) Table summary. These illustrations describe the generalized concept of the interface programming. En este estudio, we used sequence recognition and strand displacement of DNA as the mechanisms to implement the logic. Específicamente, we used single-stranded DNA molecules as effectors, thiolated oligonucleotides as ligands, and a strand displacement as chelation mechanism. We foresee that this design rules can be potentially applied to other ligand systems and core nanostructures. Crédito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aau2124.
The scientists used a sufficiently high density of nanoparticles and incorporated single-particle tracking algorithms to profile the scattering signals and visualize the receptor signals alone in a dark background. To qualitatively understand the overall computing performance of a single nanoparticle logic gate, they used the "receptor-only" view. The results showed that the population of nanoparticle logic gates switched into the ON state in response to performing a YES logic operation. The scientists deduced that a population of nanoparticle logic gates produced high output counts only when the molecular input met TRUE conditions.
To demonstrate two-input, single-nanoparticle logic gates, Seo et al. similarly developed:Assembly AND, Assembly OR, Disassembly AND, and Disassembly OR gates via "interface programming". The scientists showed that the design principles for interface programming were straightforward and could be generalized among circuits. They expanded the interface programming to enable nanoparticle logic gates to process INHIBIT logic.
The scientists then increased the complexity of reactions at the receptor-floater interface but noticed incomplete reactions or spurious interactions occuring in the system. Such anomalous interactions indicated that they could not rely on programming particle interfaces as before to construct complex circuits. En lugar de, they introduced a conceptually distinct approach termed nanoparticle "network programming" to allow two single-particle logic gates to be combined with AND or, OR logic. In the resulting network programming of wired nanoparticle logic gates, the scientists showed the strategy could be implemented to build complex multilayer cascades readily without extensive optimization. Seo et al. successfully implemented the nanoparticle multiplexer to show the ability to design and operate nanoparticle circuits on LNTs in a highly modular and controlled manner.
Wiring of nanoparticle logic gates via network programming. (A) Wiring with AND logic. Two logic gates (Disassembly AND gate and Assembly YES gate) are designed to operate in series for AND wiring. The floater F1, which is bound to the first receptor R1 in its initial state, acts as a Disassembly AND logic gate and subsequently as an Assembly YES gate with the second receptor R2. The generation of R2–F1 dimers is an output of the (X1 AND X2) AND X3 circuit. (B) Wiring with OR logic. Two logic gates (Disassembly AND gate and Disassembly YES gate) are designed to operate in parallel for OR wiring. The two gates both release G-NFs as outputs. The generation of the G-NFs is an output of the (X3 AND X4) OR X5 circuit. Circuit diagrams (top), single-particle dark-field analysis (middle), and kinetics analysis of circuits (lower left) and intermediate reactions (lower right). Crédito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aau2124
Scientists can expand on the demonstrated scope of lipid bilayer-based nanoparticle computation to advance the existing molecular computing technologies to operate nanoparticle circuits. They can also integrate lipid bilayers with DNA nanostructures to open the development of new molecular circuits by expanding on dynamic inter-origami interactions for more complex and practical molecular computations. Current limits of the experimental setup prevent the construction of arbitrarily large circuits. These can be overcome to generate broader design space for circuit buildup with new modes of communication, dynamic reconfiguration and DNA walkers.
Seo et al. envision that the molecular computing network can be analogously built in a similar approach to silicon-based computers that have improved through the years. The scientists can advance the experimental setup by increasing the nanoparticle density, to increase the computing capacity and expand parallelism, so that each nanoparticle may independently perform its own computation. Para aplicaciones prácticas, the lipid nanotablet will play a pivotal role in building dynamic, autonomous nanosystems in molecular diagnostics and smart sensors; to sense multiple stimuli and trigger the appropriate response. If such nanocircuits are introduced into living cell membranes, scientists can create novel bioengineered nano-bio interfaces as biologic-inorganic hybrid systems. The particles can also be used separately to study membrane-associated phenomena in living cells. De este modo, by facilitating communication between nanosystems and cellular systems, the scientists will be able to activate new pathways to navigate complex and dynamic theranostic applications.
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