Nanopartiklar kan användas som substrat för beräkning, med algoritmisk och autonom kontroll av deras unika egenskaper. Dock, Skalbar arkitektur för att bilda nanopartikelbaserade datorsystem saknas för närvarande. I en nyligen publicerad studie publicerad i Vetenskapens framsteg , Jinyoung Seo och medarbetare på Institutionen för kemi vid Seoul National University i Sydkorea, rapporterade på en nanopartikelplattform inbyggd med logiska grindar och kretsar på nivån för den enskilda partikeln. De implementerade plattformen på ett stödjande lipiddubbelskikt. Inspirerad av cellulära membran inom biologi som delar upp och styr signalnätverk, forskarna kallade plattformen "lipid nanotablet" (LNT). För att utföra nano-bio-datorer, de använde ett lipiddubbelskikt som ett kemiskt kretskort och nanopartiklarna som beräkningsenheter.

På en lipid nanotablett i lösning, Seo et al. fastställt att en enda nanopartikellogikgrind känner av molekyler som input och triggade partikelmontering eller -demontering som en utgång. De demonstrerade booleska logiska operationer tillsammans med fan-in/fan-out av logiska grindar och en kombinationslogikkrets som en multiplexer i studien. Forskarna föreställer sig att det nya tillvägagångssättet skulle kunna modulera nanopartikelkretsar på lipidbilager för att konstruera nya paradigm och gateways inom molekylär beräkning, nanopartikelkretsar och systemnanovetenskap, i framtiden.

Materia kan slås samman med beräkning över många längdskalor, allt från små droppar i mikrofluidisk bubbellogik och mikropartiklar till biomolekyler och molekylära maskiner. Att implementera beräkning i nanopartiklar är fortfarande outforskat, trots ett brett utbud av applikationer som kan dra nytta av förmågan att algoritmiskt styra den användbara fotoniken, elektrisk, magnetisk, katalytiska och materialegenskaper hos nanopartiklar. Dessa egenskaper är för närvarande otillgängliga via molekylära system. Helst system av nanopartiklar utrustade med datorkapacitet kan bilda nanopartikelkretsar för att autonomt utföra komplexa uppgifter som svar på yttre stimuli för att kombinera flödet av materia och information på nanoskala.

En befintlig metod för att använda nanopartiklar som substrat för beräkning är att funktionalisera partiklarna med stimuli-responsiva ligander. En grupp av sådana modifierade nanopartiklar kommer sedan att utföra elementära logiska operationer som svarar på en mängd olika kemiska och fysikaliska input. Forskare strävar efter att använda en individuell nanopartikel som modulära nanodelar och implementera en önskad beräkning på ett plug-and-play-sätt. Dock, det finns svårigheter med att koppla integrerade flera logiska grindar i lösningsfasen eftersom det är utmanande att kontrollera spridningen av ingångar, logiska grindar och utgång i 3D-rymden. För att lösa denna utmaning, forskare inspirerades av cellmembranet; en biologisk motsvarighet till ett kretskort som kan vara värd för en mängd olika receptorproteiner som beräkningsenheter. I naturen, kompartmentiserade proteiner interagerar med receptorer som ett nätverk för att utföra komplexa funktioner. Membranen kan också tillåta parallella beräkningsprocesser att inträffa och därför inspirerades materialforskare att koppla om det biologiska fenomenet.

Bioinspirerad av cellulära membran, i denna studie, Seo et al. demonstrerade en lipiddubbelskiktsbaserad nanopartikeldatorplattform. Som ett bevis på principen, de använde ljusspridande plasmoniska nanopartiklar för att bygga kretskomponenter, DNA som ytligander och molekylära ingångar tillsammans med biotin-streptavidin-interaktioner för att binda nanopartiklarna till lipiddubbelskiktet. Efter att ha fixerat nanopartiklarna till ett stödd lipiddubbelskikt (SLB), de gav flera nyckelfunktioner i experimenten;

1. De kompartimenterade nanopartiklarna från en lösning som innehöll molekylära insatser.
2. Partikel-till-partikel-interaktioner var begränsade så att de endast skulle ske genom lateral diffusion vid det fluidiska 2D-reaktionsutrymmet,
3. De spårade de lateralt instängda nanopartiklarna och analyserade dem in situ med enkelpartikelupplösning eftersom ett stort antal ljusspridande nanopartiklar visades vara inneslutna i fokalplanet med hjälp av mörkfältsmikroskopi (DFM).

Forskarna implementerade nano-bioberäkningar i gränssnittet mellan nanostrukturer och biomolekyler, där den molekylära informationen i lösning (input) översattes till en dynamisk sammansättning/demontering av nanopartiklar på ett lipiddubbelskikt (output). Som en nyckelkomponent i en LNT, Seo et al. konstruerade en flödeskammare med ett lipiddubbelskikt belagt i botten av substratet.

För att konstruera lipid-nanotabletter i experimentuppställningen, forskarna använde tre nyckelkomponenter – små unilamellära vesiklar (SUV), glasflödeskammare och DNA-funktionaliserade plasmoniska nanopartiklar. De DNA-modifierade nanopartiklarna fäste vid lipiddubbelskiktet för att bilda logiska grindar och kretsar som bearbetade molekylär information. Forskarna klassificerade de funktionaliserade nanopartiklarna i orörliga receptorer (rapportörer för beräkning) eller mobila flytare (beräkningsinformationsbärare). I detta sammanhang, Flytare var "trådar" som förde information om uppströms portar in i nedströms portar genom robust lateral diffusion. De karakteriserade nanopartiklarna för att validera deras materialegenskaper innan de konstruerade de experimentella kretsarna.

Seo et al. använde mörkfältsmikroskopi (DFM) avbildning för att mäta prestandan för nanopartikellogikgrindar som svar på molekylära input i lösning. När mörkfältsbildsekvenser erhölls från logikoperationerna, vetenskapsmannen bearbetade och kvantifierade dem med hjälp av en specialbyggd bildanalyspipeline.

Sammanlagt, forskarna konstruerade booleska logiska grindar för nanopartiklar och JA-grindar med en enda nanopartikel montering och demontering i realtid. En-nanopartikel YES-grindar utgjorde de enklaste exemplen i studien. För att detektera spridningssignalerna från en nanopartikellogikgrind, forskarna förlitade sig på plasmonisk koppling mellan två kärnpartiklar som utgjorde porten. För att bilda nanopartiklar, Seo et al. syntetiserade guld nanorods med silverskal, guld nanosfärer och silver nanosfärer på guldfrön som kallas röda, gröna och blå nanopartiklar som visar rött, gröna och blå spridningssignaler i studien. Forskarna representerade beteendet hos logikstyrda nanopartiklar i en enkel, nanopartikelreaktionsdiagram för att visa en sammansättningsreaktion från en flottör till en receptor och en demonteringsreaktion, ger en intuitiv bild av varje nanopartikels logiska grindbeteende.

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. Istället, 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. För praktiska tillämpningar, 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 det här sättet, 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