p Nanopartículas podem ser usadas como substratos para computação, com controle algorítmico e autônomo de suas propriedades únicas. Contudo, arquitetura escalável para formar sistemas de computação baseados em nanopartículas está faltando no momento. Em um estudo recente publicado em Avanços da Ciência , Jinyoung Seo e colegas de trabalho do Departamento de Química da Universidade Nacional de Seul, na Coreia do Sul, relatado em uma plataforma de nanopartículas construída com portas lógicas e circuitos no nível da partícula única. Eles implementaram a plataforma em uma bicamada lipídica de suporte. Inspirado nas membranas celulares da biologia que compartimentam e controlam as redes de sinalização, os cientistas chamaram a plataforma de "nanotablet lipídico" (LNT). Para conduzir nano-bio-computação, eles usaram uma bicamada lipídica como uma placa de circuito químico e as nanopartículas como unidades de computação. p Em um nanocomprimido lipídico em solução, Seo et al. estabeleceu que uma única porta lógica de nanopartícula detecta moléculas como entradas e aciona a montagem ou desmontagem de partículas como uma saída. Eles demonstraram operações de lógica booleana juntamente com fan-in / fan-out de portas lógicas e um circuito lógico combinacional como um multiplexador no estudo. Os cientistas imaginam que a nova abordagem seria capaz de modular circuitos de nanopartículas em bicamadas lipídicas para criar novos paradigmas e gateways em computação molecular, circuitos de nanopartículas e nanociência de sistema, no futuro.

p A matéria pode ser combinada com computação em muitas escalas de comprimento, variando de micro-gotículas em lógica de bolha microfluídica e micro-partículas a biomoléculas e máquinas moleculares. A implementação de computação em nanopartículas permanece inexplorada, apesar de uma ampla gama de aplicações que poderiam se beneficiar da capacidade de controlar algoritmicamente o fotônico útil, elétrico, magnético, propriedades catalíticas e materiais das nanopartículas. Essas propriedades estão atualmente inacessíveis por meio de sistemas moleculares. Idealmente, sistemas de nanopartículas equipados com recursos de computação podem formar circuitos de nanopartículas para realizar tarefas complexas de forma autônoma em resposta a estímulos externos para combinar o fluxo de matéria e informação em nanoescala.

p Uma abordagem existente para usar nanopartículas como substratos para computação é funcionalizar as partículas com ligantes responsivos a estímulos. Um grupo de tais nanopartículas modificadas irá então realizar operações lógicas elementares que respondem a uma variedade de entradas químicas e físicas. Os cientistas pretendem usar uma nanopartícula individual como nano-partes modulares e implementar a computação desejada de forma plug-and-play. Contudo, há dificuldades na fiação de portas lógicas múltiplas integradas na fase de solução, uma vez que é um desafio controlar a difusão de entradas, portas lógicas e saída no espaço 3D. Para resolver este desafio, os cientistas foram inspirados pela membrana celular; um equivalente biológico de uma placa de circuito que pode hospedar uma variedade de proteínas receptoras como unidades computacionais. Na natureza, proteínas compartimentadas interagem com receptores como uma rede para realizar funções complexas. As membranas também podem permitir que processos de computação paralela ocorram e, portanto, os cientistas de materiais se inspiraram para religar o fenômeno biológico.

p Bioinspirado por membranas celulares, No presente estudo, Seo et al. demonstraram uma plataforma de computação de nanopartículas com base em bicamada lipídica. Como prova de princípio, eles usaram nanopartículas plasmônicas de espalhamento de luz para construir componentes de circuito, DNA como ligantes de superfície e entradas moleculares ao lado de interações biotina-estreptavidina para amarrar as nanopartículas à bicamada lipídica. Depois de fixar as nanopartículas a uma bicamada lipídica suportada (SLB), eles forneceram vários recursos-chave nos experimentos;

1. Eles compartimentalizaram as nanopartículas de uma solução contendo entradas moleculares.
2. As interações partícula a partícula foram confinadas de modo que ocorressem apenas por meio da difusão lateral no espaço de reação fluídica 2D,
3. Eles rastrearam as nanopartículas confinadas lateralmente e as analisaram in situ com resolução de partícula única, uma vez que um grande número de nanopartículas de dispersão de luz foi mostrado para ser confinado no plano focal usando microscopia de campo escuro (DFM).

p Os cientistas implementaram computação nanobio na interface de nanoestruturas e biomoléculas, onde a informação molecular em solução (entrada) foi traduzida em uma montagem / desmontagem dinâmica de nanopartículas em uma bicamada lipídica (saída). Como um componente-chave de um LNT, Seo et al. projetou uma câmara de fluxo com uma bicamada lipídica revestida na parte inferior do substrato.

p Para construir nanocomprimidos lipídicos na configuração experimental, os cientistas usaram três componentes principais - pequenas vesículas unilamelares (SUVs), câmaras de fluxo de vidro e nanopartículas plasmônicas funcionalizadas com DNA. As nanopartículas modificadas de DNA aderiram à bicamada lipídica para formar portas lógicas e circuitos que processavam informações moleculares. Os cientistas classificaram as nanopartículas funcionalizadas em receptores imóveis (repórteres para computação) ou flutuadores móveis (portadores de informações de computação). Nesse contexto, flutuadores eram "fios" que transportavam informações de portas a montante para portas a jusante por meio de difusão lateral robusta. Eles caracterizaram as nanopartículas para validar suas propriedades materiais antes de construir os circuitos experimentais.

p Seo et al. usou imagens de microscopia de campo escuro (DFM) para medir o desempenho das portas lógicas de nanopartículas em resposta a entradas moleculares em solução. Quando as sequências de imagens de campo escuro foram obtidas a partir das operações lógicas, o cientista os processou e quantificou usando um pipeline de análise de imagens customizado.

p Completamente, os cientistas projetaram portas lógicas booleanas de nanopartículas e portas YES de nanopartícula única e operações de desmontagem em tempo real. Portas YES de nanopartícula única formaram os exemplos mais simples no estudo. Para detectar os sinais de espalhamento de uma porta lógica de nanopartículas, os cientistas confiaram no acoplamento plasmônico entre duas partículas centrais que compunham o portão. Para formar as nanopartículas, Seo et al. nanobastões de ouro sintetizados com conchas de prata, nanoesferas de ouro e nanoesferas de prata em sementes de ouro conhecidas como vermelhas, nanopartículas verdes e azuis para exibir o vermelho, sinais de dispersão verdes e azuis no estudo. Os cientistas representaram o comportamento de nanopartículas lógicas de uma forma simples, gráfico de reação de nanopartículas para mostrar uma reação de montagem de um flutuador a um receptor e uma reação de desmontagem, fornecer uma visão intuitiva sobre o comportamento de cada porta lógica de nanopartículas.

p 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.

p 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.

p 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. Em vez de, 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.

p 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.

p 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. Para aplicações práticas, 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. Desta maneira, by facilitating communication between nanosystems and cellular systems, the scientists will be able to activate new pathways to navigate complex and dynamic theranostic applications. p © 2019 Science X Network