北师大刘红云副教授课题组《ACS AMI》：基于智能超分子水凝胶薄膜电极构建简易生物计算平台

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在简单平台上开发复杂的生物逻辑门至今仍是生物计算领域的一个重要挑战。多重刺激响应性薄膜被广泛用作智能基质，构建具有丰富功能的生物分子逻辑系统。但其制备方法往往比较繁琐，且组分之间易发生相互干扰，因此，亟待挖掘和探索更简易的制备多重刺激响应性智能薄膜的方法。N-芴甲氧羰基二苯丙氨酸（Fmoc-FF）是一种芳香族二肽，作为一类典型的低分子量凝胶因子，在生理pH值下通过溶剂调控自组装形成超分子水凝胶，具有成膜方法简单的显著优势。

北京师范大学化学学院刘红云副教授团队通过简单的自组装一步将Fmoc-FF，金纳米簇（AuNCs）和辣根过氧化物酶（HRP）固定在ITO电极表面，形成Fmoc-FF/AuNCs/HRP薄膜，其荧光和电催化性质随溶液pH、Cu(II)、EDTA和H₂O₂的浓度以及光照等刺激条件而改变，用于模拟构建多种生物计算逻辑门及逻辑器件。相关成果以标题为“Constructing a Facile Biocomputing Platform Based on Smart Supramolecular Hydrogel Film Electrodes with Immobilized Enzymes and Gold Nanoclusters”发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。论文的第一作者为北师大化学学院硕士研究生李佳璇，刘红云为通讯联系人。

图 1. Fmoc-FF/AuNCs/HRP薄膜在 (A) pH 9.0缓冲溶液, (B) 含有EDTA的pH 5.0缓冲溶液, (C) 含有Cu(II)的pH 5.0缓冲溶液中的结构及信号变化示意图。

该工作基于自组装二肽的Fmoc-FF/AuNCs/HRP功能薄膜，开发了一个4输入/7输出的逻辑门和一系列逻辑器件以及一个三元Gullibility（ANY）逻辑门。该系统的创新和独特性体现在以下四个方面：1）通过简单的自组装方法，在ITO电极表面成功制备了嵌入荧光纳米材料和生物酶的自组装二肽Fmoc-FF薄膜，该薄膜表现出多种刺激响应行为。2）结合生物电催化，该水凝胶薄膜体系作为生物逻辑模拟平台，其荧光（FL）、循环伏安（CV）和紫外可见（UV-vis）信号作为3种类型的输出，大大增加了生物计算系统的复杂性。3）首次在生物分子计算体系中模拟了三值Gullibility（ANY）逻辑门。4）通过调节溶液的pH值，可以使得两种不同机制的过氧化氢电催化还原过程——HRP的酶促催化和Cu(II)-配位复合物的模拟酶促催化发生在同一平台上，极大提高所建立生物计算系统的功能性。这项工作为利用生物有机小分子基质构建便捷的、具有复杂逻辑功能的单一平台提供了新的思路，对构建新的生物多值逻辑门具有重要意义。尽管生物计算的研究仍处于理论阶段，但相信这一策略将极大拓宽其在智能多组分分析的生物传感、多模式生物信号传导/放大和生物信息处理等方面的应用。 

图 2. 二肽在质子化(Fmoc-FF)和去质子化(Fmoc-FF^-)状态之间的可逆切换。

图 3. (A) 在365 nm紫外光激发下的荧光光谱：(a) Fmoc-FF; (b) Fmoc-FF/AuNCs; (c) Fmoc-FF/AuNCs/HRP; (d) ITO/PDDA薄膜电极。内插图：Fmoc-FF/AuNCs/HRP薄膜电极分别在(左) 可见光; (右) 365 nm紫外光下的照片。(B) 紫外-可见消光光谱：(a) 0.2 mg/mL的HRP溶液（溶于pH 7.0缓冲溶液）; (b) Fmoc-FF/AuNCs/HRP; (c) Fmoc-FF; (d) Fmoc-FF/AuNCs薄膜电极。

图 4. Fmoc-FF/AuNCs/HRP薄膜的SEM图像：(A) pH 5.0；(B) pH 5.0 + Cu(II)；(C) pH 5.0 + H₂O₂；(D) pH 9.0；(E) pH 9.0 + Cu(II)；(F) pH 9.0+ H₂O₂。

图 5. (A) Fmoc-FF/AuNCs/HRP薄膜在(a) pH 5.0和(b) pH 9.0缓冲溶液中的荧光光谱。内插图：薄膜荧光信号FL₆₆₀的pH依赖性。(B) Fmoc-FF/AuNCs/HRP薄膜的荧光信号FL₆₆₀在pH 5.0和pH 9.0缓冲溶液中切换时的变化。(C) Fmoc-FF/AuNCs/HRP薄膜在含有不同浓度Cu(II)的pH 5.0缓冲溶液中的荧光光谱。内插图：薄膜荧光信号FL₆₆₀的Cu(II)浓度依赖性。(D) Fmoc-FF/AuNCs/HRP薄膜的荧光信号FL₆₆₀在分别含有1.8 mM Cu(II)和3.6 mM EDTA的pH 5.0缓冲溶液中切换时的变化。(E) Fmoc-FF/AuNCs/HRP薄膜在含有不同浓度H₂O₂的pH 5.0缓冲溶液中的荧光光谱。内插图：薄膜荧光信号FL₆₆₀的H₂O₂浓度依赖性。(F) 薄膜荧光信号FL₆₆₀在含有(a) 0 mM H₂O₂和(b) 2.0 mM H₂O₂缓冲溶液中的pH依赖性。误差棒代表三次平行实验的标准差。

图 6. (A) 在-0.35 V恒电压下，在pH 9.0 (a和c)和pH 5.0 (b和d)缓冲溶液中逐步加入0.4 mM H₂O₂时，Fmoc-FF/AuNCs/HRP薄膜电极(a和b，实线)和ITO裸电极(c和d，虚线)的电流信号变化。(B) 在-0.35 V恒电压下，Fmoc-FF/AuNCs/HRP薄膜电极电流信号的pH依赖性。内插图：在-0.35 V恒电压下，Fmoc-FF/AuNCs/HRP薄膜在pH 5.0和pH 9.0缓冲溶液中切换时电流信号的变化。误差棒代表三次平行实验的标准差。(C)在-0.35 V恒电压下，分别在(a)不含有和(b)含有1.8 mM Cu(II)以及(c)含有1.8 mM Cu(II)和3.6 mM EDTA的pH 5.0 缓冲溶液中逐步加入0.4 mM H₂O₂时，Fmoc-FF/AuNCs/HRP 薄膜电极的电流信号变化。(D) 在-0.35 V恒电压下，Fmoc-FF/AuNCs/HRP薄膜在分别含有1.8 mM Cu(II)和3.6 mM EDTA的pH 5.0缓冲溶液中切换时电流信号的变化。

图 7. 该体系在16种输入组合下的(A)荧光信号(FL₆₆₀)，(B)紫外-可见消光信号(E₇₃₀)和(C)在-0.35 V恒电压下的电流信号(ôIô)。阈值由点划线标出，误差棒代表三次平行实验的标准差。(D) 4输入/7输出逻辑网络的符号示意图。

图 8. (A) 三进制Gullibility（ANY）逻辑门的真值表。(B) 在两个三进制输入的9种输入组合下，该体系的荧光信号(FL₆₆₀)。阈值由点划线标出，误差棒代表三次平行实验的标准差。

相关链接

Li, J.; Xiao, C.; Wei, W.; Xiao, R.; Yao, H.; Liu, H. Constructing a Facile Biocomputing Platform Based on Smart Supramolecular Hydrogel Film Electrodes with Immobilized Enzymes and Gold Nanoclusters. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c11206

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