作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 纳米粒子逻辑计算
(一)LNT平台示意图
两种类型的脱氧核糖核酸修饰的纳米粒子，不动的受体和移动的漂浮物，被拴在SLB上，由密度泛函理论监测
作为纳米粒子布尔逻辑门的射频对
每个逻辑门都将脱氧核糖核酸作为输入，并将两个粒子之间的组装或拆卸作为输出
双向箭头表示射频相互作用
表面脱氧核糖核酸配体没有描述
(三)单纳米粒子是门
功能域由颜色和下标数字表示，箭头表示它们的3’端
星号表示互补性
二聚体后面的发光圆圈说明了等离子体耦合
(四)图像分析
单粒子跟踪算法首先从原始图像序列中识别受体信号
然后，对检测到的信号进行采样，并用于生成新的暗场电影，该电影仅可视化受体信号
(五)动力学分析
为每个输入条件提供了“组件是”门的仅受体快照(顶部)和动力学图(底部)
通过对状态转换受体的数量随时间的累积计数获得动力学图
学分:科学进步，doi: 10
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aau2124 纳米粒子可以用作计算的基底，通过算法和自主控制其独特的性质
然而，目前缺乏可扩展的架构来形成基于纳米粒子的计算系统
在最近发表在《科学进展》杂志上的一项研究中，首尔国立大学化学系的徐金永和同事报告了一个纳米粒子平台，该平台内置逻辑门和单粒子级电路
他们在支撑的脂双层上实现了这个平台
受生物学中划分和控制信号网络的细胞膜的启发，科学家们将该平台称为“脂质纳米片”(LNT)
为了进行纳米生物计算，他们使用脂质双层作为化学电路板，纳米粒子作为计算单位
关于溶液中的脂质纳米片
确定单个纳米粒子逻辑门将分子感知为输入，将触发的粒子组装或拆卸感知为输出
在这项研究中，他们演示了布尔逻辑运算、逻辑门的扇入/扇出以及作为多路复用器的组合逻辑电路
科学家们设想，这种新方法将能够调节脂质双层上的纳米粒子回路，从而在未来构建分子计算、纳米粒子回路和系统纳米科学的新范例和新网关
物质可以与跨越许多长度尺度的计算相结合，从微流体气泡逻辑中的微小液滴和微粒到生物分子和分子机器
在纳米粒子中实现计算仍未被探索，尽管从算法上控制纳米粒子的有用的光子、电、磁、催化和材料特性的能力可以受益于广泛的应用
这些性质目前无法通过分子系统获得
理想情况下，配备有计算能力的纳米粒子系统可以形成纳米粒子回路，以自动执行复杂的任务来响应外部刺激，从而在纳米尺度上结合物质流和信息流
使用纳米粒子作为计算基底的现有方法是用刺激响应配体来功能化粒子
然后，一组这样的修饰纳米粒子将对各种化学和物理输入做出响应，执行基本的逻辑运算
科学家的目标是使用单个纳米粒子作为模块化纳米部件，并以即插即用的方式实现所需的计算
然而，在解决方案阶段，集成多个逻辑门的布线存在困难，因为在3D空间中控制输入、逻辑门和输出的扩散具有挑战性
为了解决这个挑战，科学家们受到了细胞膜的启发；一种电路板的生物等效物，可以容纳多种受体蛋白质作为计算单元
在自然界中，分隔的蛋白质作为一个网络与受体相互作用，完成复杂的功能
这种膜还可以让并行计算过程发生，因此材料科学家受到启发，重新设计了生物现象
纳米粒子组件“是”门的延时暗场成像
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在目前的研究中，由细胞膜进行生物转运
展示了基于脂质双层的纳米粒子计算平台
作为原理证明，他们使用光散射等离子体纳米粒子来构建电路元件，使用脱氧核糖核酸作为表面配体，使用生物素-链霉亲和素相互作用作为分子输入，将纳米粒子束缚在脂质双层上
在将纳米粒子固定到支撑的脂双层(SLB)上后，他们在实验中提供了几个关键特征； 他们将纳米粒子从含有分子输入的溶液中分离出来
粒子间的相互作用受到限制，因此它们只能通过流体2D反应空间的横向扩散发生。他们跟踪横向限制的纳米粒子，并以单粒子分辨率原位分析它们，因为使用暗场显微镜(DFM)显示大量光散射纳米粒子被限制在焦平面内
科学家们在纳米结构和生物分子的界面上实现了纳米生物计算，其中溶液中的分子信息(输入)被转化为脂质双层上纳米粒子的动态组装/拆卸(输出)
作为一个LNT的关键组成部分，徐等人
设计了一个流动室，在基底底部涂有脂质双层
暗场电影的只受者视觉化
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为了在实验装置中构建脂质纳米片，科学家们使用了三个关键组件——小单层囊泡、玻璃流动室和脱氧核糖核酸功能化的等离子体纳米粒子
脱氧核糖核酸修饰的纳米粒子附着在脂质双层上，形成处理分子信息的逻辑门和电路
科学家们将功能化的纳米粒子分为固定受体(计算的报告者)或移动飞蚊症(计算的信息载体)
在这种情况下，漂浮物是通过强大的横向扩散将上游闸门的信息传送到下游闸门的“电线”
他们对纳米粒子进行了表征，以在构建实验电路之前验证其材料特性
Seo等人
使用暗场显微镜(DFM)成像来测量纳米粒子逻辑门响应溶液中分子输入的性能
当暗场图像序列从逻辑运算中获得时，科学家使用定制的图像分析管道对它们进行处理和量化
总之，科学家们设计了纳米粒子布尔逻辑门和单纳米粒子YES门实时组装和拆卸操作
单纳米粒子“是”门是研究中最简单的例子
为了检测纳米粒子逻辑门的散射信号，科学家们依靠组成逻辑门的两个核心粒子之间的等离子体耦合
为了形成纳米粒子，Seo等人
在金种子上合成具有银壳、金纳米球和银纳米球的金纳米棒被称为红、绿和蓝纳米粒子，以在研究中显示红、绿和蓝散射信号
科学家们在一个简单的纳米粒子反应图中展示了逻辑门控纳米粒子的行为，以显示从浮子到受体的组装反应和拆卸反应，为每个纳米粒子的逻辑门控行为提供了直观的视图
纳米粒子逻辑门的设计原则
(一)概化概念的图解总结
提供了效应器介导的纳米粒子组装/拆卸是门(左)和概念真值表(右)的图示
构建组装/拆卸逻辑门需要选择性效应子-配体对和效应子-螯合剂对
为了使用两种纳米粒子构建逻辑门，受体-漂浮物界面中的“结合”相互作用需要以这样的方式进行编程，即只有当两个分子输入满足“与”或“或”逻辑时，才会形成结合(通过组装)或分裂(通过分解)
(二)双输入组合与门
(三)双输入组合或门
当成键相互作用需要由两个输入端串行激活时，组装反应由“与”逻辑控制；当成键相互作用被并行控制时，组装反应由“或”逻辑控制
(四)双输入拆解与门
(五)双输入拆卸或门
类似地，拆卸反应通过并联断开由“与”逻辑调节，通过串联断开由“或”逻辑调节
(六)表格汇总
这些插图描述了接口编程的一般概念
在本研究中，我们使用序列识别和链置换作为实现逻辑的机制
具体来说，我们使用单链脱氧核糖核酸分子作为效应器，巯基化寡核苷酸作为配体，链置换作为螯合机制
我们预见这种设计规则可以潜在地应用于其他配体系统和核心纳米结构
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科学家们使用了足够高密度的纳米粒子，并结合了单粒子跟踪算法来描绘散射信号，并在黑暗背景中单独观察受体信号
为了定性地理解单个纳米粒子逻辑门的整体计算性能，他们使用了“仅受体”的观点
结果显示，响应于执行“是”逻辑操作，纳米粒子逻辑门的群体切换到“开”状态
科学家推断，只有当分子输入满足真实条件时，纳米粒子逻辑门才产生高输出计数
演示双输入单纳米粒子逻辑门
类似开发的:通过“接口编程”的组装与、组装或、拆卸与和拆卸或门
科学家们表明，接口编程的设计原则是简单明了的，可以在电路中推广
他们扩展了接口编程，使纳米粒子逻辑门能够处理抑制逻辑
科学家随后增加了受体-漂浮物界面反应的复杂性，但注意到系统中出现不完全反应或虚假相互作用
这种反常的相互作用表明，他们不能像以前那样依靠编程粒子界面来构建复杂的电路
相反，他们引入了一种概念上不同的方法，称为纳米粒子“网络编程”，允许两个单粒子逻辑门与“与”或“或”逻辑相结合
在由此产生的有线纳米粒子逻辑门的网络编程中，科学家们表明，该策略可以在没有大量优化的情况下轻松构建复杂的多层级联
Seo等人
成功实施纳米粒子多路复用器，展示了以高度模块化和可控方式设计和操作纳米粒子电路的能力
通过网络编程布线纳米粒子逻辑门
(一)带与逻辑的接线
两个逻辑门(拆卸与门和组装是门)被设计成串联操作用于与门布线
浮子F1在其初始状态下与第一个接收器R1相连，充当“拆卸与”逻辑门，随后与第二个接收器R2一起充当“组装是”门
R2-F1二聚体的产生是(X1和X2)和X3电路的输出
(二)带有或逻辑的接线
两个逻辑门(拆卸与门和拆卸是门)被设计为并行操作，用于或接线
这两个门都释放重力感应神经网络作为输出
重力式近场传感器的产生是(X3和X4)或X5电路的输出
电路图(上)、单粒子暗场分析(中)、电路动力学分析(左下)和中间反应(右下)
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aau2124 科学家可以扩大基于脂质双层的纳米粒子计算的演示范围，以推进现有的分子计算技术来操作纳米粒子电路
他们还可以将脂质双层与脱氧核糖核酸纳米结构相结合，通过扩展动态的内部折纸相互作用来进行更复杂和实用的分子计算，从而开发新的分子回路
实验装置的电流限制阻止了任意大电路的构建
通过新的通信模式、动态重新配置和DNA步行者，可以克服这些障碍，为电路构建创造更广阔的设计空间
Seo等人
想象一下，分子计算网络可以用类似的方法构建，类似于经过多年改进的硅基计算机
科学家可以通过增加纳米粒子密度来推进实验设置，以增加计算能力和扩展并行性，从而每个纳米粒子可以独立执行自己的计算
在实际应用中，脂质纳米片将在构建分子诊断和智能传感器的动态、自主纳米系统中发挥关键作用；感知多种刺激并引发适当的反应
如果将这种纳米电路引入活细胞膜，科学家可以创造出新的生物工程纳米生物界面，作为生物-无机混合系统
这些粒子也可以单独用于研究活细胞中的膜相关现象
这样，通过促进纳米系统和细胞系统之间的交流，科学家将能够激活新的途径来导航复杂和动态的治疗应用
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