[논문 리뷰] Initiation of waves in BZ encapsulated vesicles using light - towards design of computing architectures

Ben de Lacy Costello, Ishrat Jahan외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 10.

Photoreceptor and optogenetics research참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 녹색(532 nm) 및 파란(405 nm) 레이저를 사용하여 인산지질 복합체에 봉입된 페로인 촉매 작용을 하는 벨루소프-즈보타킨(Belousov-Zhabotinsky, BZ) 반응에서 빛에 의해 유도되는 파동을 유도하는 것을 보여주며, 재현 가능한 진동파를 유도한다. 전체적으로는 자극성이 감소했음에도 불구하고 파동은 복합체 간에 전파되었으며, 이는 단순한 2차원 충돌 기반 논리 회로 설계를 가능하게 하여, 3차원 복합체 기반의 계산 아키텍처 구현 가능성을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 인공 세포 계산 아키텍처에 통합하기에 적합한 기체를 포함하지 않은 생체 적합성 BZ 반응 시스템을 개발하기 위해.
• 저출력 가시광선 소스를 사용하여 BZ-봉입 복합체에서 제어 가능한 파동 유도를 달성하기 위해.
• 감소된 자극성 시스템에서 복합체 간 자극 전달 및 파동 전파를 입증하기 위해.
• 공간적으로 제어된 빛 펄스를 사용하여 2차원 복합체 네트워크에서 충돌 기반 계산을 검증하기 위해.
• 3차원 복합체 네트워크가 화학적 계산 시스템을 구현하는 데 잠재력을 지닐 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 고립된 반응 캐비티를 생성하기 위해 인산지질으로 안정화된 복합체에 페로인 촉매 작용을 하는 BZ 반응을 봉입하기 위해.
• 최소한의 자발적 진동을 유도하기 위해 반응물 농도를 조절하여 안정 상태를 확보하기 위해.
• 특정 복합체를 국소적으로 자극하고 파동 전파를 유도하기 위해 저출력 녹색(532 nm) 및 파란(405 nm) 레이저 소스를 사용하기 위해.
• 파동 역학을 시간 간격 촬영을 통해 모니터링하여 전파 정밀도 및 복합체 간 전달 상태 평가하기 위해.
• 공간적으로 제어된 빛 펄스를 사용하여 단순한 2차원 충돌 기반 논리 회로 설계 및 테스트하기 위해.
• 여러 번의 시험과 복합체 네트워크를 통해 파동의 안정성, 속도 및 반복 가능성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인산지질 복합체에 봉입된 BZ 반응에서 빛을 사용하여 신뢰성 있게 자극 파동을 유도할 수 있는가?
• RQ2 감소된 내재적 자극성 시스템에서 복합체 간 파동 전파가 발생하는가?
• RQ3 빛에 의해 유도된 파동을 사용하여 2차원 복합체 네트워크에서 기본 논리 연산을 구현할 수 있는가?
• RQ4 재현 가능한 파동 유도를 위해 필요한 최소한의 빛 파rameters(파장, 출력)는 무엇인가?
• RQ5 이 시스템은 화학적 계산 응용을 위한 3차원 네트워크로 확장 가능한가?

주요 결과

• 저출력 녹색(532 nm) 및 파란(405 nm) 레이저를 사용하여 BZ-봉입 복합체에서 재현 가능한 파동 유도를 달성하였다.
• 자극성이 감소했음에도 불구하고 파동은 신뢰성 있게 한 복합체에서 인접한 복합체로 전파되었으며, 복합체 간 소통이 가능함을 입증하였다.
• 공간적으로 제어된 빛 펄스를 사용하여 단순한 2차원 충돌 기반 논리 회로의 실현을 지원하였다.
• 여러 번의 시험에서 파동 속도와 정밀도가 유지되어 시스템의 견고성을 나타내었다.
• 자극을 위해 가시광선을 사용함으로써 개별 복합체에 비침습적이고 선택적이며 반복 가능한 제어가 가능하였다.
• 결과적으로 빛에 의해 활성화된 BZ 복합체가 3차원 화학적 계산 아키텍처의 기본 요소로 사용될 수 있음을 입증하였다.