Angewandte Chemie

Cover image for Vol. 127 Issue 11

Chefredakteur: Peter Gölitz, Stellvertreter: Neville Compton, Haymo Ross

Online ISSN: 1521-3757

Associated Title(s): Angewandte Chemie International Edition, Chemistry - A European Journal, Chemistry – An Asian Journal, ChemistryOpen, ChemPlusChem, Zeitschrift für Chemie

Presse-Mitteilung

Angewandte Chemie 2006, 118, 1602–1606
doi: 10.1002/ange.200503314

Nr. 07/2006

Rechnen mit Enzymen

Gekoppelte Enzymsysteme eignen sich als Modelle für einfache Schaltkreise

Kontakt: Itamar Willner, The Hebrew University of Jerusalem (Israel)
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Elementary Arithmetic Operations by Enzymes: A Model for Metabolic Pathway Based Computing

Computer sind eigentlich ziemlich einfach gestrickt. Sie kennen nur zwei Antworten: ja oder nein, im Binärcode ausgedrückt 1 oder 0. Damit lassen sich über logische Verknüpfungen Rechenoperationen und ihre Lösungen codieren. Ähnlich verhalten sich biologische Systeme: Ein Reiz wirkt auf ein Ensemble von Molekülen und setzt definierte chemische Reaktionen in Gang. Diese Analogie hat Itamar Willner und seine Kollegen dazu angeregt, aus einer Kombination von miteinander gekoppelten Enzymen einen einfachen Schaltkreis zu konstruieren, in dem enzymatische Reaktionen logischen Verknüpfungen entsprechen.

Glucose-Dehydrogenase (GDH) katalysiert die Oxidation von Glucose zu Gluconsäure; dabei wird NAD+ zu NADH reduziert. Meerrettichperoxidase (HRP) reduziert Wasserstoffperoxid unter Verbrauch von NADH, das wieder zu NAD+ oxidiert wird; der Kreislauf schließt sich. Zugabe von Glucose bzw. Wasserstoffperoxid (H2O2) Glucose ist die Eingabegröße; sie beträgt entweder 0 (keine Zugabe der Substanz) oder 1. Die entstehenden Konzentrationen an NADH bzw. Gluconsäure lassen sich photometrisch bestimmen. Sie sind das Ergebnis der enzymatischen Rechenoperation. Das Ergebnis beträgt entweder 0: keine Veränderung oder 1: die Absorption hat sich messbar verändert. Damit kann man einfache logische Verknüpfungen realisieren: Antivalenz (XOR) und Konjunktion (AND). Für die AND-Verknüpfung wird als Ausgabewert die Veränderung der Gluconsäure-Konzentration bestimmt: Zugabe von H2O2 (Eingabe A) aktiviert die HRP und NAD+ wird erzeugt. GDH verbraucht dieses NAD+ um Glucose (Eingabe B) zu Gluconsäure zu oxidieren. Wird kein H2 O2, sondern nur Glucose zugegeben (Eingabe A=0, Eingabe B=1), kann kein NAD+ gebildet werden, und die GDH kann Glucose nicht umsetzen. Wenn keine Glucose zugegeben wird (Eingabe B=0) fehlt das Substrat für die GDH-Reaktion. In beiden Fällen entsteht keine Gluconsäure. Einen Ausgabewert von 1, also eine messbare Veränderung der Absorption, ergibt sich nur, wenn H2O2 und Glucose zugegeben werden. Eine XOR-Verknüpfung, bei der der Ausgangswert immer dann 1 ist, wenn die Eingänge A und B ungleich sind, entsteht, wenn man die Veränderung der NADH-Absorption nach einer Aktivierung mit H2O2 oder Glucose bestimmt. Werden beide zugegeben, so erzeugt zwar die Glucose-Zugabe NADH, dieses wird aber von der Peroxidase zur Reduktion des zugegebenen H2O2 wieder verbraucht. Nur bei Zugabe von entweder H2O2 oder Glucose verändert sich die NADH-Absorption (Ausgabewert 1). Schaltet man die Verknüpfungsglieder AND und XOR zusammen, entsteht ein Halbaddierer, der zwei einstellige Dualziffern addieren kann. Im biologischen Rechner geschieht dies durch die Kombination mit zwei weiteren Enzymen: Glucoseoxidase, die Glucose zu Gluconsäure oxidiert und Wasserstoffperoxid erzeugt sowie Katalase, die Wasserstoffperoxid zersetzt.

Auf Enzymen basierende Rechner könnten nach Meinung der Wissenschaftler zukünftig als implantierbare Einheiten eingesetzt werden, die in Stoffwechselwege eingreifen oder komplexe Therapien verfolgen.

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