[論文レビュー] Initiation of waves in BZ encapsulated vesicles using light - towards design of computing architectures

Ben de Lacy Costello, Ishrat Jahan+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2012

Photoreceptor and optogenetics research参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、リン脂質バイオフィルムで安定化されたリン酸化フェロイン触媒を用いたBelousov-Zhabotinsky（BZ）反応を封入したバイオフィルム小胞において、緑色（532 nm）および青色（405 nm）レーザーを用いて再現可能な励起波を誘発する光誘発波の生成を示している。全体の活性度が低下しても波は小胞間を伝播し、単純な2次元衝突型論理回路の設計が可能であることが示された。これは、3次元小胞ベースの計算アーキテクチャへの応用可能性を示唆している。

ABSTRACT

A gas free analogue of the Belousov-Zhabotinsky reaction catalysed by ferroin and encapsulated in phospholipid stabilised vesicles is reported. A reaction mixture which exhibits spontaneous oscillation and excitation transfer between vesicles was formulated. By adjusting the reagent concentrations a quiescent state with fewer spontaneous oscillations was achieved. Using relatively low power laser sources of specific wavelengths (green 532nm and blue 405nm) it was shown that waves could be reproducibly initiated within the BZ vesicles. Furthermore, despite the reduced excitability of the system overall the initiated waves exhibited vesicle to vesicle transfer. It was possible to manipulate single vesicles and design simple circuits based on a 2D validation of collision based circuits. Therefore, we conclude that this BZ system exhibits promise for computing applications based on 3D networks of vesicles.

研究の動機と目的

• 人工細胞計算アーキテクチャに統合可能なガス発生なし、生体適合性の高いBZ反応系の開発。
• 低出力の可視光光源を用いたBZを封入した小胞における制御された波の誘発。
• 低活性度系における小胞間の励起伝達および波の伝播の実証。
• 2次元小胞ネットワークにおける光誘発波を用いた衝突型計算の妥当性の検証。
• 3次元小胞ネットワークが化学的計算システムを実装する上で有効である可能性の探求。

提案手法

• リン酸化フェロイン触媒を用いたBZ反応をリン脂質で安定化された小胞に封入し、独立した反応コンpartmentsを形成。
• 最小限の自発的振動を示す静止状態を得るために反応物濃度を調整。
• 特定の小胞を局所的に励起し波の伝播を誘発するために、低出力の緑色（532 nm）および青色（405 nm）レーザーを用いる。
• 時間差画像撮影による波動のモニタリングを通じて、伝播の正確性および小胞間伝達を評価。
• 空間的に制御された光パulsesを用いて、単純な2次元衝突型論理回路の設計および試験。
• 複数回の試行および小胞ネットワーク全体における波の安定性、速度、再現性の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リン酸化フェロインで触媒されたBZ反応をリン脂質小胞に封入した系において、光を用いて信頼性高く励起波を誘発できるか？
• RQ2 内在的活性度が低い系においても、小胞間で波の伝播が生じるか？
• RQ3 光誘発波を用いて2次元小胞ネットワークで基本的な論理演算を実装できるか？
• RQ4 再現可能な波誘発に必要な最小限の光パrameters（波長、出力）は何か？
• RQ5 この系は、化学的計算応用を想定した3次元ネットワークにスケーラブルか？

主な発見

• 低出力の緑色（532 nm）および青色（405 nm）レーザーを用いて、BZを封入した小胞で再現可能な波誘発が達成された。
• 活性度が低下しても、波は信頼性高く1つの小胞から隣接する小胞へと伝播し、小胞間通信の実現が示された。
• 空間的に制御された光パulsesを用いて、単純な2次元衝突型論理回路の実装が可能であった。
• 複数回の試行にわたり、波の速度および正確性が維持されたことから、システムの頑健性が示された。
• 励起に可視光を用いることで、個々の小胞に対する非侵襲的で選択的かつ繰り返し可能な制御が可能となった。
• 本結果は、光活性化BZ小胞を3次元化学的計算アーキテクチャの構築ブロックとして用いる可能性が示された。