基于牛血清白蛋白与席夫碱的组合而构建出双输出分子逻辑电路

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220371

摘要/Abstract

摘要：

从纳米尺度实现分子的逻辑计算与应用是电子微处理器实现小型化的重要环节。本文利用1，3-丙二胺缩二水杨醛SALPHENH₂与牛血清白蛋白（BSA）上位点Ⅱ发生相互作用而制备了一种荧光探针复合物BSA@SALPHENH₂。实验结果表明，在280 nm激发且Zn²⁺存在下，BSA@SALPHENH₂基于杂化荧光共振能量转移与电子交换能量转移而在350 nm以及426 nm处产生了2个荧光发射峰，然后利用不同的离子作为输入信号对其进行调控，设计了1个半减器和1个含有1个或门（OR gate）、1个与非门（NAND gate）、2个非门（NOT gate）及3个与门（AND gate）的二进制分子逻辑电路。

关键词: 分子逻辑器件, 能量转移, 荧光, 双输出, 牛血清白蛋白

Abstract:

The ability to realize logic calculations and applications of molecules from the nanoscale is an important part of miniaturization of electronic microprocessors. Herein， a novel fluorescent probe complex （BSA@SALPHENH₂） is prepared by the interaction of bis-（salicyladehyde）-1，3-propylenedii-mine （SALPHENH₂） with bovine serum albumin（BSA）. The interaction of BSA with bis-（salicyladehyde）-1，3-propylenediimine is characterized by fluorescence titration experiment， synchronous fluorescence spectroscopy， site marker fluorescent probes and molecular docking. It is found that the conformation of BSA changes slightly in presence of bis-（salicyladehyde）-1，3-propylenediimine， the quenching type is static quenching， and there is van der Waals forces and hydrogen bonding in Subdomain ⅢA （Site Ⅱ） of BSA. Additionally， the experiment results show that the complex has two fluorescence emission bands under the excitation of 280 nm due to hybrid fluorescence resonance energy transfer and electron exchange energy transfer between BSA and Zn²⁺-bis-（salicyladehyde）-1，3-propylenediimine Schiff base. Then， Modulating the system using different ions as the input signal to design a half subtractor and a binary molecular logic circuit containing one OR gate， one NAND gate， two NOT gates and three AND gates. Simultaneously， this combination provides a good reference model in exploring Dexter energy transfer in fluorescent experiments.

Key words: Molecular logic devices, Energy transfer, Fluorescence, Dual-output, Bovine serum albumin

中图分类号:

O644.1

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图/表 11

图1 （A） BSA及BSA@SALPHENH2的FT-IR谱；（B） BSA、BSA@SALPHENH2以及SALPHENH2的1H NMR谱图

Fig. 1 （A） FT-IR spectra of BSA and the complex of BSA@SALPHENH2；（B） 1H NMR spectra of BSA， the complex of BSA@SALPHENH2 and SALPHENH2

图2 （A） BSA与不同浓度的SALPHENH2相互作用的Stern-Volmer图；（B） BSA与不同浓度SALPHENH2相互作用的双对数图； BSA与SALPHENH2相互作用的同步荧光光谱（C） ?λ=15 nm；（D） ?λ=60 nm

Fig.2 Representation of the interaction model with （A） Stern-Volmer plots of BSA interacted with different concentrations of SALPHENH2；（B） Double-logarithm plots of BSA interacted with different concentrations of SALPHENH2； SFS of BSA and the different concentration of SALPHENH2 （C） ?λ=15 nm；（D） ?λ=60 nm

表1 BSA与SALPHENH2相互作用的常数

Table 1 Constants of the interaction between BSA and SALPHENH2

T/K	K_SV/（L·mol^-1）	K_q/（L·mol^-1·s^-1）	lg K_a	n
308	1.08×10⁵	1.08×10¹³	4.63	0.910
313	9.93×10⁴	9.93×10¹²	4.58	0.910
318	9.47×10⁴	9.47×10¹²	4.29	0.850

表2 BSA与SALPHENH2相互作用的热力学常数

Table 2 Thermodynamic constants of the interaction between BSA and SALPHENH2

T/K	$Δ H θ$ /（kJ·mol^-1）	$Δ S θ$ /（J·K^-1·mol^-1）	$Δ G θ$ /（kJ·mol^-1）
308	-63.9	-118	-27.5
313	-63.9	-118	-26.9
318	-63.9	-118	-26.3

表2 BSA与SALPHENH2相互作用的热力学常数

Table 2 Thermodynamic constants of the interaction between BSA and SALPHENH2

T/K	$Δ H θ$ /（kJ·mol^-1）	$Δ S θ$ /（J·K^-1·mol^-1）	$Δ G θ$ /（kJ·mol^-1）
308	-63.9	-118	-27.5
313	-63.9	-118	-26.9
318	-63.9	-118	-26.3

表3 BSA@SALPHENH2位点特异性标记实验的结合常数比较

Table 3 Comparison of binding constants in site-specific labeling experiments experiments of BSA@SALPHENH2

Marker	Blank	WF	IB
K_a/（L·mol^-1）	4.34×10⁸	1.52×10⁸	4.43×10⁶

图3 （A） BSA与SALPHENH2分子对接图；（B） SALPHENH2与BSA中氨基酸残基相互作用的二维平面图；（C） SALPHENH2与色氨酸残基的距离；（D） SALPHENH2与酪氨酸残基的距离

Fig.3 （A） Best conformations for SALPHENH2 docked to BSA in cartoon ribbons；（B） 2 Dimensional representation of amino acid residues surrounding SALPHENH2 in BSA；（C） The distance between SALOPHEN and Tryptophan residues；（D） The distance between SALPHENH2 and Tyrosine residues of BSA

图4 （A） 280 nm激发下，SALPHENH2-Zn2+@BSA的荧光发射光谱；（B） BSA的荧光发射曲线和SALPHENH2-Zn2+的紫外吸收曲线归一化后的重叠谱图；（C）不同pH值下，BSA@SALPHENH2-Zn2+的荧光发射光谱；（D） 376 nm激发波长下，SALPHENH2-Zn2+@BSA的荧光发射光谱

Fig.4 （A） Fluorescence emission spectra of SALPHENH2-Zn2+@BSA at λex=280 nm；（B） Overlap spectra after normalization of the fluorescence emission curve of BSA and the UV absorption curve of SALPHENH2-Zn2+；（C） Fluorescence emission spectra of BSA@SALPHENH2-Zn2+ under different pH；（D） Fluorescence emission spectra of BSA@SALPHENH2-Zn2+ with λex=376 nm

图5 （A）不同金属离子作用下，BSA@SALPHENH2的荧光光谱图；（B） BSA@SALPHENH2体系在350 nm处荧光强度变化；（C）体系在426 nm处荧光强度变化；（D）体系的逻辑电路图

Fig.5 （A） Fluorescence spectra of BSA and SALPHENH2 molecular system under different stimulations；（B） Changes of fluorescence intensity at 350 nm；（C） Changes of fluorescence intensity at 426 nm；（D） Combinational logic circuit equivalent to the BSA and SALPHENH2 molecular systems

表4 基于BSA@SALPHENH2的单分子电路的真值表

Table 4 Truth table for the mono-molecular circuit based on BSA@ SALPHENH2

	Input			Output
	IN 1 Cu²⁺	IN 2 Zn²⁺	IN 3 Na₂H₂EDTA	OUT 1 at 350 nm	OUT 2 at 426 nm
a	0	0	0	1	0
b	0	0	1	1	0
c	0	1	0	0	1
d	0	1	1	1	0
e	1	0	0	0	0
f	1	0	1	1	0
g	1	1	0	0	1
h	1	1	1	1	0

图6 （A）不同pH值作用下，BSA@SALPHENH2-Zn2+的荧光光谱变化；（B） BSA@SALPHENH2-Zn2+体系在350 nm处荧光强度变化；（C）体系在426 nm处荧光强度变化；（D）体系的逻辑电路图

Fig. 6 （A） Fluorescence spectra of BSA@ SALPHENH2-Zn2+ molecular system under different pH；（B） Changes of fluorescence intensity at 350 nm；（C） Changes of fluorescence intensity at 426 nm；（D） Combinational logic circuit equivalent to the BSA@ -SALPHENH2 molecular systems

表5 基于BSA@SALPHENH2-Zn2+半减器的真值表

Table 5 Truth table for the molecular logic device half-subtractor based on BSA@SALPHENH2-Zn2+

	Input		OUT
	IN 1 OH^-	IN 2 H⁺	OUT 1 at 350 nm	OUT 2 at 426 nm
a	0	0	0	0
b	1	0	0	1
c	0	1	1	1
d	1	1	0	0

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