Una compuerta lógica molecular es una molécula que realiza una operación lógica basada en al menos una entrada física o química y una única salida. El campo ha avanzado desde sistemas lógicos simples basados en una única entrada química o física hasta moléculas capaces de realizar operaciones combinatorias y secuenciales, como operaciones aritméticas (es decir, moleculadores y algoritmos de almacenamiento de memoria). [1] Las compuertas lógicas moleculares funcionan con señales de entrada basadas en procesos químicos y con señales de salida basadas en fenómenos espectroscópicos .
Las puertas lógicas son los bloques de construcción fundamentales de los circuitos eléctricos . Se pueden utilizar para construir arquitecturas digitales con distintos grados de complejidad mediante una cascada de unas pocas a varios millones de puertas lógicas, y son esencialmente dispositivos físicos que producen una salida binaria singular después de realizar operaciones lógicas basadas en funciones booleanas en una o más entradas binarias. El concepto de puertas lógicas moleculares, que extiende la aplicabilidad de las puertas lógicas a las moléculas, tiene como objetivo convertir los sistemas químicos en unidades computacionales. [2] [3] El campo ha evolucionado para realizar varias aplicaciones prácticas en campos como la electrónica molecular , la biodetección , la computación del ADN , la nanorrobótica y la obtención de imágenes celulares .
Para las puertas lógicas con una sola entrada, hay cuatro patrones de salida posibles. Cuando la entrada es 0, la salida puede ser 0 o 1. Cuando la entrada es 1, la salida puede ser 0 o 1. Los cuatro patrones de bits de salida corresponden a un tipo de lógica específico: PASS 0, YES, NOT y PASS 1. PASS 0 y PASS 1 siempre generan 0 y 1, respectivamente, independientemente de la entrada. YES genera 1 cuando la entrada es 1, y NOT es el inverso de YES: genera 0 cuando la entrada es 1. [ cita requerida ]
AND , OR , XOR , NAND , NOR , XNOR e INH son puertas lógicas de dos entradas. Las puertas AND , OR y XOR son puertas lógicas fundamentales, y las puertas NAND , NOR y XNOR son complementarias de las puertas AND, OR y XOR, respectivamente. Una puerta INHIBIT (INH) es una puerta lógica condicional especial que incluye una entrada prohibitoria. Cuando la entrada prohibitoria está ausente, la salida producida depende únicamente de la otra entrada. [ cita requerida ]
Una de las primeras ideas para el uso de moléculas π-conjugadas en la computación molecular fue propuesta por Ari Aviram de IBM en 1988. [5]
La primera realización práctica de la lógica molecular fue por de Silva et al . en su trabajo seminal, en el que construyeron una compuerta AND fotoiónica molecular con una salida fluorescente. [6] Si bien una compuerta lógica molecular YES puede convertir señales de sus formas iónicas a fotónicas, son sistemas de entrada singular-salida singular. Para construir arquitecturas de lógica molecular más complejas, se necesitan dos compuertas de entrada, a saber, las compuertas AND y OR. Algunos trabajos tempranos hicieron algún progreso en esta dirección, pero no pudieron realizar una tabla de verdad completa ya que sus formas iónicas protonadas no podían unirse al sustrato en todos los casos. [7] [8] De Silva et al. construyeron una compuerta AND basada en antraceno formada por unidades de amina terciaria y benzo-18-corona-6, ambas conocidas por mostrar procesos de transferencia de electrones fotoinducida (PET). Las dos moléculas actuaron como receptores que estaban conectados al fluoróforo basado en antraceno mediante espaciadores de alquilo . La PET se extingue al coordinarse con los protones [9] y los iones de sodio [10] respectivamente, para los dos receptores, y provocaría que la unidad de antraceno emitiera fluorescencia .
Un ejemplo de una compuerta lógica YES comprende un éter corona de benzo conectado a una unidad de antraceno ciano-sustituida. Se obtiene una salida de 1 (fluorescencia) solo cuando hay iones de sodio presentes en la solución (lo que indica una entrada de 1). Los iones de sodio son encapsulados por el éter corona , lo que da como resultado una extinción del proceso PET y hace que la unidad de antraceno emita fluorescencia. [11]
Esta compuerta lógica molecular ilustra el avance de los interruptores redox-fluorescentes a las compuertas lógicas de múltiples entradas con un interruptor electroquímico, que detecta la presencia de ácidos. Esta compuerta lógica AND de dos entradas incorpora un receptor de protones de amina terciaria y un donador redox de tetratiafulvaleno. Estos grupos, cuando se unen al antraceno, pueden procesar simultáneamente información sobre la concentración del ácido y la capacidad oxidante de la solución. [12]
De Silva et al. construyeron una compuerta lógica molecular OR utilizando un receptor de éter corona aza e iones de sodio y potasio como entradas. Cualquiera de los dos iones podría unirse al éter corona, lo que provocaría que el PET se extinguiera y se activara la fluorescencia. Dado que cualquiera de los dos iones (entrada “1”) podría causar fluorescencia (salida “1”), el sistema se parecía a una compuerta lógica OR. [6]
La compuerta lógica INH incorpora un ion Tb 3+ en un complejo quelato . Esta compuerta lógica de dos entradas muestra un comportamiento no conmutativo con entradas químicas y una salida de fosforescencia . Siempre que hay dioxígeno (entrada “1”), el sistema se extingue y no se observa fosforescencia (salida “0”). La segunda entrada, H + , también debe estar presente para que se observe una salida “1”. [13]
Parker y Williams construyeron una puerta lógica NAND basada en la emisión fuerte de un complejo de terbio de fenantridina . Cuando el ácido y el oxígeno (las dos entradas) están ausentes (entrada “0”), el centro de terbio emite fluorescencia (salida “1”). [14]
Akkaya y sus colaboradores demostraron una compuerta NOR molecular utilizando un sistema de boradiazaindaceno. Se descubrió que la fluorescencia del boradiazaindaceno altamente emisivo (entrada “1”) se extinguía en presencia de una sal de zinc [Zn(II)] o de ácido trifluoroacético (TFA). [15]
De Silva y McClenaghan diseñaron un dispositivo aritmético de prueba de principio basado en puertas lógicas moleculares. El compuesto A es una olefina push-pull con el receptor superior que contiene cuatro grupos de aniones de ácido carboxílico (y contracationes no revelados) capaces de unirse al calcio . La parte inferior es una molécula de quinolina que es un receptor para iones de hidrógeno. La puerta lógica funciona de la siguiente manera: sin ninguna entrada química de Ca 2+ o H + , el cromóforo muestra una absorbancia máxima en espectroscopia UV/VIS a 390 nm . Cuando se introduce calcio, se produce un desplazamiento hipsocrómico ( desplazamiento al azul ) y la absorbancia a 390 nm disminuye; de la misma manera, una adición de protones provoca un desplazamiento batocrómico ( desplazamiento al rojo ). Cuando ambos cationes están en agua, el resultado neto es la absorción en la longitud de onda original de 390 nm. Este sistema representa una puerta lógica XNOR en absorción y una puerta lógica XOR en transmitancia . [16]
En otro sistema de compuerta lógica XOR, la química se basa en pseudorotaxano . En solución orgánica, la sal de diazapirenio deficiente en electrones (barra) y las unidades de 2,3- dioxinaftaleno ricas en electrones del éter corona (anillo) se autoensamblan mediante la formación de un complejo de transferencia de carga . Una amina terciaria añadida , como la tributilamina, forma un aducto 1:2 con el diazapireno y el complejo se desenhebra. Este proceso va acompañado de un aumento de la intensidad de emisión a 343 nm resultante del éter corona liberado. El ácido trifluorometanosulfónico añadido reacciona con la amina y el proceso se revierte. El exceso de ácido bloquea el éter corona por protonación y el complejo se desenhebra de nuevo. [17]
En el compuesto B , la sección inferior contiene un grupo amino terciario que es capaz de unirse a protones. En este sistema, la fluorescencia solo ocurre cuando ambos cationes están presentes. La presencia de ambos cationes impide que el PET emita fluorescencia, lo que permite que el compuesto B emita fluorescencia. En ausencia de cualquiera de los iones, la fluorescencia se extingue mediante PET, lo que implica una transferencia de electrones desde el átomo de nitrógeno o los átomos de oxígeno, o ambos, al grupo antracenilo. Cuando ambos receptores están unidos a iones de calcio y protones respectivamente, ambos canales de PET se apagan. El resultado general del compuesto B es una lógica AND, ya que una salida de "1" (fluorescencia) ocurre solo cuando tanto Ca 2+ como H + están presentes en la solución, es decir, tienen valores como "1". Con ambos sistemas funcionando en paralelo y el monitoreo de la transmitancia para el sistema A y la fluorescencia para el sistema B, el resultado es un semisumador capaz de reproducir la ecuación 1 + 1 = 2. [16]
En una modificación del sistema B, se procesan simultáneamente tres entradas químicas en una compuerta lógica AND. Se observa una señal de fluorescencia mejorada solo en presencia de un exceso de protones, iones de zinc y sodio a través de interacciones con sus respectivos receptores de amina, fenildiaminocarboxilato y éter corona. El modo de procesamiento funciona de manera similar a lo discutido anteriormente: se observa fluorescencia debido a la prevención de reacciones PET competitivas de los receptores al fluoróforo de antraceno excitado. La ausencia de cualquier entrada de iones da como resultado una salida de fluorescencia baja. Cada receptor es selectivo para su ion específico, ya que un aumento en la concentración de los otros iones no produce una fluorescencia alta. Se debe alcanzar el umbral de concentración específico de cada entrada para lograr una salida fluorescente de acuerdo con la lógica AND combinatoria. [18]
Una compuerta lógica molecular puede procesar moduladores de forma muy similar a la configuración observada en la prueba de principio de De Silva [16], pero incorporar diferentes compuertas lógicas en la misma molécula es un desafío. Tal función se llama lógica integrada y se ejemplifica con la compuerta lógica de medio sustractor basada en BODIPY ilustrada por Coskun, Akkaya y sus colegas. Cuando se monitorea en dos longitudes de onda diferentes, 565 y 660 nm, las operaciones de las compuertas lógicas XOR e INH se realizan en las longitudes de onda respectivas. Los estudios ópticos de este compuesto en tetrahidrofurano revelan un pico de absorbancia a 565 nm y un pico de emisión a 660 nm. La adición de un ácido da como resultado un desplazamiento hipsocrómico de ambos picos, ya que la protonación de la amina terciaria da como resultado una transferencia de carga interna. El color de la emisión observada es amarillo. Cuando se agrega una base fuerte, el grupo hidroxilo fenólico se desprotona, lo que produce un PET que hace que la molécula no sea emisiva. Cuando se añaden un ácido y una base, se observa que la molécula emite una emisión roja, ya que la amina terciaria no estaría protonada mientras que el grupo hidroxilo permanecería protonado, lo que daría como resultado la ausencia tanto de PET como de transferencia de carga intramolecular (ICT). Debido a la gran diferencia en la intensidad de la emisión, esta única molécula es capaz de llevar a cabo la sustracción a nivel nanométrico. [19]
Shanzer et al. también han construido un sistema sumador completo basado en fluoresceína . El sistema es capaz de calcular 1+1+1=3. [1]
A lo largo de los años, se ha explorado la utilidad de las puertas lógicas moleculares en una amplia gama de campos, como la detección química y biológica, las industrias farmacéutica y alimentaria, y los campos emergentes de los nanomateriales y la computación química . [20] [21] [22] [23] [24]
Los aniones fluoruro (F - ) y acetato (CH 3 COO - ) se encuentran entre los más importantes en el contexto de la salud y el bienestar humanos. El primero, ampliamente utilizado en el cuidado de la salud, es conocido por su toxicidad y corrosividad. El segundo puede causar alcalosis y afectar las vías metabólicas más allá de cierta concentración. Por lo tanto, es crucial desarrollar métodos para detectar estos aniones en medios acuosos. Bhat et al. . construyó una compuerta INH con receptores que se unen selectivamente a los aniones F - y CH 3 COO - . El sistema utilizó cambios en la absorbancia como una salida basada en colorimetría para detectar la concentración de aniones. [25]
Wen y sus colaboradores diseñaron una compuerta lógica molecular INH con Fe 3+ y EDTA como entradas y una salida fluorescente para la detección de iones férricos en soluciones. La fluorescencia del sistema se extingue si y solo si la entrada Fe 3+ está presente y EDTA está ausente. [26]
Los iones de metales pesados son una amenaza persistente para la salud humana debido a su toxicidad inherente y baja degradabilidad. Se han construido varios sistemas basados en puertas lógicas moleculares para detectar iones como Cd 2+ , [27] Hg 2+ / Pb 2+ , [28] y Ag + . [29] En su trabajo, Chen et al . demostraron que los sistemas basados en puertas lógicas podrían usarse para detectar iones Cd 2+ en muestras de arroz. [27]
La eficacia de métodos como la quimioterapia para tratar el cáncer tiende a estabilizarse después de un tiempo, ya que las células sufren cambios moleculares que las vuelven insensibles al efecto de los medicamentos contra el cáncer, [30] lo que hace que la detección temprana de células cancerosas sea importante. Un biomarcador, el microARN (miARN), es crucial en esta detección a través de sus patrones de expresión. [31] Zhang et al. han demostrado una cascada de compuertas INH-OR para este propósito, [32] Yue et al . utilizaron una compuerta AND para construir un sistema con dos entradas de miARN y una salida de fotoluminiscencia de puntos cuánticos , [33] y Peng et al. también construyeron un sistema de entrada dual basado en compuerta AND para la detección simultánea de miARN de células tumorales. [34]
Akkaya et al. ilustraron la aplicación de una puerta lógica para la terapia fotodinámica en su trabajo. Un colorante BODIPY unido a un éter corona y dos grupos piridilo separados por espaciadores funciona de acuerdo con una puerta lógica AND. La molécula funciona como un agente fotodinámico tras la irradiación a 660 nm en condiciones de concentraciones relativamente altas de iones de sodio y protones convirtiendo el oxígeno triplete en oxígeno singlete citotóxico . Este ejemplo prototípico utiliza niveles más altos de sodio y pH más bajo en el tejido tumoral en comparación con los niveles en las células normales. Cuando se satisfacen estos dos parámetros celulares relacionados con el cáncer, se observa un cambio en el espectro de absorbancia. [35]
El concepto de computación del ADN surgió al abordar problemas de densidad de almacenamiento debido al creciente volumen de información de datos. Teóricamente, un gramo de ADN monocatenario es capaz de almacenar más de 400 exabytes de datos a una densidad de dos bits por nucleótido . [36] A Leonard Adleman se le atribuye haber establecido el campo en 1994. [37] Recientemente, los sistemas de puertas lógicas moleculares se han utilizado en modelos de computación del ADN. [38]
Massey et al . construyeron circuitos de lógica molecular fotónica de ADN utilizando cascadas de puertas lógicas moleculares AND, OR, NAND y NOR. [39] Utilizaron complejos de lantánidos como marcadores fluorescentes, y sus salidas luminiscentes fueron detectadas por dispositivos basados en FRET en las terminales de las cadenas de ADN. Los trabajos de Campbell et al. sobre la demostración de sistemas lógicos NOT, AND, OR y XNOR basados en mosaicos de cruce de ADN, [40] Bader et al . sobre la manipulación de la estructura G-quadruplex de ADN para realizar operaciones lógicas YES, AND y OR, [41] y Chatterjee y colaboradores sobre la construcción de puertas lógicas utilizando horquillas de ADN reactivas en superficies de origami de ADN son algunos ejemplos de computación de ADN basada en puertas lógicas. [42]
Los nanorobots tienen el potencial de transformar los procesos de administración de fármacos y la computación biológica . [43] Llopis-Lorente et al . desarrollaron un nanorobot que puede realizar operaciones lógicas y procesar información sobre glucosa y urea . [44] Thubagere et al . diseñaron un nanorobot molecular de ADN capaz de clasificar carga química. El sistema podría funcionar sin energía adicional ya que el robot era capaz de caminar sobre la superficie del origami de ADN sobre sus dos pies. También tenía un brazo para transportar la carga. [45]
Margulies et al . demostraron la lógica secuencial molecular, donde crearon una cerradura de teclado molecular que se asemeja a las capacidades de procesamiento de un dispositivo de seguridad electrónico, que es equivalente a incorporar varias puertas lógicas AND interconectadas en paralelo. La molécula imita un teclado electrónico de un cajero automático . Las señales de salida dependen no solo de la presencia de entradas sino también de un orden correcto; es decir, se debe ingresar la contraseña correcta. La molécula fue diseñada utilizando fluoróforos de pireno y fluoresceína conectados por un sideróforo , que se une a Fe(III), y la acidez de la solución cambia las propiedades de fluorescencia del fluoróforo de fluoresceína. [46]
Los sistemas de puertas lógicas moleculares pueden superar teóricamente los problemas que surgen cuando los semiconductores se acercan a las dimensiones nanométricas . Las puertas lógicas moleculares son más versátiles que sus contrapartes de silicio , con fenómenos como la lógica superpuesta que no están disponibles para la electrónica de semiconductores. [24] Las puertas moleculares secas, como la demostrada por Avouris y colegas, demuestran ser posibles sustitutos para los dispositivos semiconductores debido a su pequeño tamaño, infraestructura similar y capacidades de procesamiento de datos. Avouris reveló una puerta lógica NOT compuesta por un haz de nanotubos de carbono . Los nanotubos se dopan de manera diferente en regiones adyacentes creando dos transistores de efecto de campo complementarios , y el haz funciona como una puerta lógica NOT solo cuando se cumplen las condiciones satisfactorias. [47]
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