次世代集積化バイオコンピューティングのための酵素スイッチ素子に関する研究

下一代集成生物计算酶转换装置研究

• 批准号: 07858029
• 负责人: 青木 孝文
• 金额: $ 0.7万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1995
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1995 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07858029/
• 关键词: バイオコンピュータ; 分子コンピュータ; バイオ情報処理; 生体情報処理; バイオ素子; 分子素子; 集合論理

本研究では,無配線コンピューティングのための酵素スイッチ素子に関する基礎実験ならびに性能評価を行った.1.酵素スイッチ素子は,液層中の特定の分子を「受信電極」で検出し,その結果に応じて「送信電極」上の酵素活性を制御し,特定の基質を対応する速度で生成物に変換する.まず,通常のイオン電極程度のマクロな大きさで,送信電極を実現した.これを実現する系として,グルコースデヒドロゲナーゼ,NAD,ヒドロキノンの系を取り上げ,酵素反応を有る程度電気化学的に制御できることを確認した.さらに,この系が十分な安定性および選択性を有することを実験的に確認した。2.グルコースオキシターゼの酵素反応系を利用して受信電極を構成し,これを上記1で実現した送信電極とともに用いることにより,電極間での分子情報の直接伝達に成功した.ただし,この実験系の場合,電極と酵素の間の電子伝達を媒介すうために遊離したメディエータを用いるため,多種類の送信電極を用いる場合に信号のクロストークが問題になることが明らかになった.このため遊離したメディエータを使用しない送信電極の実現が,今後の研究課題として重要になること判明した.3.また,酵素スイッチ素子を微細化した場合の動作を計算機上でシミュレートし,10μm程度に微細化された酵素スイッチ素子の応答時間が100μsec程度であることを明らかにした.さらに,多数の酵素スイッチ素子を集積化したシステムについてシミュレーションを行い,完全並列画像処理などのさまざまな情報処理が可能であることを新たに見い出した.今後,このような酵素スイッチ素子による配線に制限されない並列情報処理機構のモデルを構築することが必要であると考えられる.

This study is aimed at evaluating the basic performance of enzyme molecules without ligand. 1. Enzyme molecules detect specific molecules in the liquid layer as "receiving electrodes," and the results control enzyme activity on "transmitting electrodes," and change the speed of specific substrates. In general, the electrode level is very high, and the transmission electrode is very low. The system of enzyme reaction and electrochemical control is confirmed. The system is very stable and selective. 2. The enzyme reaction system is composed of signal receiving electrodes, and the direct transmission of molecular information between electrodes is successful. In this case, the electron transfer between the electrode and the enzyme can be used as a mediator, and in the case of multiple types of transmission electrodes, the signal can be used as a mediator. 3. The micro-processing of enzyme elements in computer is 10 μm, and the micro-processing time of enzyme elements is 100μsec. Now, most of the enzyme elements are integrated into the system, and it is possible to completely parallel image processing and information processing. In the future, the enzyme and the element will be distributed in a limited way, and the information processing mechanism will be constructed in a necessary way.

项目成果

M. Hiratsuka: "A model of enzyme transistors" Extended Abstracts of the 5th lnt′ Symp. on Bioelectronic and Molecular Electronic Devices and the 6th lnt′l Conf.on Molecular Electronics and Biocomputing. 79-80 (1995)

M. Hiratsuka：“酶晶体管模型”第 5 届生物电子和分子电子器件研讨会和第 6 届分子电子学和生物计算会议的扩展摘要 (1995)。

青木孝文: "酵素トランジスタ回路の解析と設計" 電子情報通信学会論文誌A. (掲載決定). (1996)

Takafumi Aoki：“酶晶体管电路的分析与设计”IEICE Journal A.（决定出版）。