Nano-bio-computing lipid nanotablet

Nanopartikler kan bruges som substrater til beregning, med algoritmisk og autonom kontrol af deres unikke egenskaber. Imidlertid, skalerbar arkitektur til at danne nanopartikel-baserede computersystemer mangler i øjeblikket. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskabens fremskridt , Jinyoung Seo og kolleger i Institut for Kemi ved Seoul National University i Sydkorea, rapporteret om en nanopartikelplatform indbygget med logiske porte og kredsløb på niveau med den enkelte partikel. De implementerede platformen på et understøttende lipid-dobbeltlag. Inspireret af cellulære membraner i biologi, der opdeler og kontrollerer signalnetværk, forskerne kaldte platformen "lipid nanotablet" (LNT). At udføre nano-bio-computing, de brugte et lipid-dobbeltlag som et kemisk printkort og nanopartiklerne som beregningsenheder.

På en lipid nanotablet i opløsning, Seo et al. fastslået, at en enkelt nanopartikel-logisk gate registrerer molekyler som input og udløste partikelsamling eller adskillelse som et output. De demonstrerede booleske logiske operationer sammen med fan-in/fan-out af logiske porte og et logisk kombinationskredsløb som en multiplekser i undersøgelsen. Forskerne forestiller sig, at den nye tilgang ville være i stand til at modulere nanopartikelkredsløb på lipid-dobbeltlag for at konstruere nye paradigmer og gateways inden for molekylær databehandling, nanopartikelkredsløb og systemnanovidenskab, i fremtiden.

Stof kan flettes sammen med beregning på tværs af mange længdeskalaer, lige fra mikrodråber i mikrofluidisk boblelogik og mikropartikler til biomolekyler og molekylære maskiner. Implementering af beregning i nanopartikler er stadig uudforsket, på trods af en bred vifte af applikationer, der kunne drage fordel af evnen til algoritmisk at styre den nyttige fotoniske, elektriske, magnetiske, katalytiske og materialeegenskaber af nanopartikler. Disse egenskaber er i øjeblikket utilgængelige via molekylære systemer. Ideelt set systemer af nanopartikler udstyret med computeregenskaber kan danne nanopartikelkredsløb til autonomt at udføre komplekse opgaver som svar på ydre stimuli for at kombinere strømmen af ​​stof og information på nanoskala.

En eksisterende tilgang til at bruge nanopartikler som substrater til beregning er at funktionalisere partiklerne med stimuli-responsive ligander. En gruppe af sådanne modificerede nanopartikler vil derefter udføre elementære logiske operationer, der reagerer på en række forskellige kemiske og fysiske input. Forskere sigter mod at bruge en individuel nanopartikel som modulære nanodele og implementere en ønsket beregning på en plug-and-play måde. Imidlertid, der er vanskeligheder med at forbinde integrerede flere logiske porte i løsningsfasen, da det er udfordrende at kontrollere spredningen af ​​input, logiske porte og output i 3D-rum. For at løse denne udfordring, videnskabsmænd blev inspireret af cellemembranen; en biologisk ækvivalent til et printkort, der kan være vært for en række forskellige receptorproteiner som beregningsenheder. I naturen, kompartmentaliserede proteiner interagerer med receptorer som et netværk til at udføre komplekse funktioner. Membranerne kan også tillade parallelle computerprocesser at forekomme, og derfor blev materialeforskere inspireret til at omkoble det biologiske fænomen.

Bioinspireret af cellulære membraner, i nærværende undersøgelse, Seo et al. demonstreret en lipid-dobbeltlagsbaseret nanopartikel-computerplatform. Som et bevis på princippet, de brugte lysspredende plasmoniske nanopartikler til at bygge kredsløbskomponenter, DNA som overfladeligander og molekylære inputs sammen med biotin-streptavidin-interaktioner for at binde nanopartiklerne til lipid-dobbeltlaget. Efter fiksering af nanopartiklerne til et understøttet lipid-dobbeltlag (SLB), de gav flere nøgletræk i eksperimenterne;

1. De opdelte nanopartiklerne fra en opløsning, der indeholdt molekylære input.
2. Partikel-til-partikel-interaktioner var begrænset, så de kun ville forekomme gennem lateral diffusion ved det fluidiske 2D-reaktionsrum,
3. De sporede de lateralt indesluttede nanopartikler og analyserede dem in situ med enkeltpartikelopløsning, da et stort antal lysspredende nanopartikler viste sig at være begrænset i fokalplanet ved hjælp af mørkfeltsmikroskopi (DFM).

Forskerne implementerede nano-bio-beregning på grænsefladen mellem nanostrukturer og biomolekyler, hvor den molekylære information i opløsning (input) blev oversat til en dynamisk samling/adskillelse af nanopartikler på et lipid-dobbeltlag (output). Som en nøglekomponent i en LNT, Seo et al. konstrueret et strømningskammer med et lipid-dobbeltlag belagt i bunden af ​​substratet.

For at konstruere lipid nanotabletter i forsøgsopstillingen, forskerne brugte tre nøglekomponenter - små unilamellære vesikler (SUV'er), glasflowkamre og DNA-funktionaliserede plasmoniske nanopartikler. De DNA-modificerede nanopartikler klæbte til lipid-dobbeltlaget for at danne logiske porte og kredsløb, der behandlede molekylær information. Forskerne klassificerede de funktionaliserede nanopartikler i immobile receptorer (reportere til beregning) eller mobile flydere (informationsbærere for beregning). I denne sammenhæng, flydere var "ledninger", der førte information fra opstrøms porte ind i nedstrøms porte gennem robust lateral diffusion. De karakteriserede nanopartiklerne for at validere deres materialeegenskaber, før de konstruerede de eksperimentelle kredsløb.

Seo et al. brugt mørk feltmikroskopi (DFM) billeddannelse til at måle ydeevnen af ​​nanopartikellogiske porte som reaktion på molekylære input i opløsning. Når mørkefelts billedsekvenser blev opnået fra de logiske operationer, videnskabsmanden behandlede og kvantificerede dem ved hjælp af en specialbygget billedanalysepipeline.

Alt i alt, forskerne konstruerede boolske logiske porte til nanopartikler og JA-porte med en enkelt nanopartikel til montering og demontering i realtid. Single-nanopartikel JA-porte dannede de enkleste eksempler i undersøgelsen. For at detektere spredningssignalerne fra en nanopartikellogikport, forskerne stolede på plasmonisk kobling mellem to kernepartikler, der udgjorde porten. For at danne nanopartiklerne, Seo et al. syntetiserede guld nanorods med sølvskaller, guld nanosfærer og sølv nanosfærer på guldfrø kaldet røde, grønne og blå nanopartikler til at udvise røde, grønne og blå spredningssignaler i undersøgelsen. Forskerne repræsenterede opførselen af ​​logik-gatede nanopartikler på en enkel, nanopartikelreaktionsgraf for at vise en samlingsreaktion fra en flyder til en receptor og en adskillelsesreaktion, giver et intuitivt overblik over hver enkelt nanopartikellogikportadfærd.

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. I stedet, 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.

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. Til praktiske anvendelser, 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. På denne måde by facilitating communication between nanosystems and cellular systems, the scientists will be able to activate new pathways to navigate complex and dynamic theranostic applications.

© 2019 Science X Network