60、酶反应模拟蕴含与非蕴含布尔逻辑门及其在信号触发生物分子释放中的应用

酶反应模拟蕴含与非蕴含布尔逻辑门及其在信号触发生物分子释放中的应用

1. 引言

分子和生物分子计算作为非常规计算的一个子领域，在过去二十年中备受关注并取得了快速进展。基于酶的逻辑系统以及 DNA/RNA 计算系统，是生物分子信息处理系统研究的重要领域。酶催化反应，包括复杂的多步/多酶反应级联，已被用于模拟几乎所有已知的布尔逻辑门，如 Yes、Not、OR 等，甚至可逆逻辑门。然而，一些独特的逻辑操作仍需进一步研究，特别是蕴含（IMPLY）逻辑门，尽管它在 100 多年前就被提出并被视为基本逻辑操作，但长期以来在数字电子学中被忽视，近年来由于其在忆阻开关中的直接实现，人们对它的兴趣又重新燃起。IMPLY 逻辑门已在许多化学系统中实现，包括基于 DNA 分子的生物分子系统，但在酶催化反应中却很少被展示。

2. 模拟 IMPLY 逻辑门

2.1 IMPLY 逻辑门原理

IMPLY 逻辑门实现了逻辑条件，即“如果 A，则 B”，用 $A ⊃B$ 或 $A →B$ 表示。复合命题 $A ⊃B$ 的真假仅取决于 A 和 B 的真值：当 A 为真（1）且 B 为假（0）时，$A ⊃B$ 为假（0）；在其他情况下均为真（1）。其真值表如下：
|输入 A|输入 B|输出|
| ---- | ---- | ---- |
|0|0|1|
|0|1|1|
|1|0|0|
|1|1|1|

2.2 酶催化系统模拟

该系统的恒定（非变量）“机制”部分包括三种酶：己糖激酶（HK）、葡萄糖氧化酶（GOx）和乳酸氧化酶（LOx），以及葡萄糖作为底物（实验在空气中进行，所以 $O_2$