Biomolecular Electronics: Protein-Based Associative Processors and Volumetric Memories

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 103, Issue 49, 1999, Pages 10746-10766

  Birge, Robert R ^a   Gillespie, Nathan B ^a   Izaguirre, Enrique W ^a   Kusnetzow, Anakarin ^a   Lawrence, Albert F ^a   Singh, Deepak ^a   Song, Q Wang ^a   Schmidt, Edward ^a   Stuart, Jeffrey A ^a   Seetharaman, Sukeerthi ^a   Wise, Kevin J ^a  

^a SYRACUSE UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EID: 0000606175     PISSN: 15206106     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp991883n     Document Type: Article

References (135)

1. Keyes, R. W. Minimum Size Devices. In Molecular Electronics -Science and Technology; Aviram, A., Ed.; Engineering Foundation: New York, 1989; pp 197-204.
2. Birge, R. R. Adv. Chem. 1994, 240, 1-14.
3. Iwai, H. IEEE J. Solid-State Circuits 1999, 34, 357-366.
4. Vsevolodov, N. N. Biomolecular Electronics. An Introduction via Photosensitive Proteins; Birkhauser: Boston, 1998.
5. Greenbaum, E. J. Phys. Chem. 1990, 94, 6151-6153.
6. Boxer, S. G.; Stocker, J.; Franzen, S.; Salafsky, J. Re-engineering photosynthetic faction centers. In Molecular Electronics-Science and Technology; Aviram, A., Ed.; American Institute of Physics: New York, 1992; Vol. 262, pp 226-241.
7. Birge, R. R. Annu. Rev. Phys. Chem. 1990, 41, 683-733.
8. Lee, I.; Lee, J. W.; Greenbaum, E. Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 3294-3297.
9. Vsevolodov, N. N.; Poltoratskii, V. A. Sov. Phys. Technol. Phys. 1985, 30, 1235.
10. Bunkin, F. V.; Vsevolodov, N. N.; Druzhko, A. B.; Mitsner, B. I.; Prokhorov, A. M.; Savranskii, V. V.; Tkachenko, N. W.; Shevchenko, T. B. Sov. Technol. Phys. Lett. 1981, 7, 630-631.
11. Grigorieff, N.; Ceska, T. A.; Downing, K. H.; Baldwin, J. M.; Henderson, R. J. Mol. Biol. 1996, 259, 393-421.
12. Stuart, J. A.; Birge, R. R. Characterization of the primary photochemical events in bacteriorhodopsin and rhodopsin. In Biomembranes; Lee, A. G., Ed.; JAI Press: London, 1996; Vol. 2A, pp 33-140.
13. Ebrey, T. G. Light energy transduction in bacteriorhodopsin. In Thermodynamics of membrane receptors and channels; Jackson, M. B., Ed.; CRC Press: Boca Raton, FL, 1993; pp 353-387.
14. El-Sayed, M. A. Acc. Chem. Res. 1992, 25, 279-286.
15. Oesterhelt, D.; Stoeckenius, W. Nature (London), New Biol. 1971, 233, 149-152.
16. Lawrence, A. F.; Birge, R. R. Communication with submicron structures. Perspectives in the application of biomolecules to computer technology. In Nonlinear electrodynamics in biological systems; Adey, H. R., Lawrence, A. F., Eds.; Plenum: New York, 1984; pp 207-218.
17. Schick, G. A.; Lawrence, A. F.; Birge, R. R. Trends Biotechnol. 1988, 6, 159-163.
18. Birge, R. R.; Zhang, C. F.; Lawrence, A. F. Optical random access memory based on bacteriorhodopsin. In Molecular Electronics; Hong, F., Ed.; Plenum: New York, 1989; pp 369-379.
19. Mobarry, C.; Lewis, A. Proc. SPIE 1986, 700, 304.
20. Marwan, W.; Hegemann, P.; Oesterhelt, D. J. Mol. Biol. 1988, 663-664.
21. Sasabe, H.; Furuno, T.; Takimoto, K. Synth. Met. 1989, 28, C787-C792.
22. Hong, F. T. Adv. Chem. 1994, 240, 527-560.
23. Vsevolodov, N. N.; Druzhko, A. B.; Djukova, T. V. Actual possibilities of bacteriorhodopsin application in optoelectronics. In Molecular Electronics: Biosensors and Biocomputers; Hong, F. T., Ed.; Plenum Press: New York, 1989; pp 381-384.
24. Hampp, N.; Bräuchle, C.; Oesterhelt, D. Biophys. J. 1990, 58, 83-93.
25. Miyasaka, T.; Koyama, K.; Itoh, I. Science 1992, 255, 342-344.
26. Takei, H.; Lewis, A.; Chen, Z.; Nebenzahl, I. Appl. Opt. 1992. 30, 500-509.
27. Chen, Z.; Birge, R. R. Trends Biotechnol. 1993, 11, 292-300.
28. Rayfield, G. Ultrahigh-speed bacteriorhodopsin photodetectors. In Molecular Electronics; Hong, F. T., Ed.; Plenum: New York, 1989; pp 361-368.
29. Rayfield, G. Photodiodes based on bacteriorhodopsin. In Molecular and Biomolecular Electronics; Birge, R. R., Ed.; Advances in Chemistry Series 240; American Chemical Society: Washington, DC, 1994; pp 561-575.
30. Birge, R. R.; Fleitz, P. A.; Gross, R. B.; Izgi, J. C.; Lawrence, A. F.; Stuart, J. A.; Tallent, J. R. Proc. IEEE EMBS 1990, 12, 1788-1789.
31. Song, Q. W.; Zhang, C.; Gross, R.; Birge, R. R. Opt. Lett. 1993, 18, 775-777.
32. Birge, R. R. IEEE Comput. 1992, 25, 56-67.
33. Thoma, R.; Hampp, N. Opt. Lett. 1992, 17, 1158-1160.
34. Thoma, R.; Hampp, N.; Bräuchte, C.; Oesterhelt, D. Opt. Lett. 1991, 16, 651-653.
35. Renner, T.; Hampp, N. Opt. Commun. 1992, 96, 142-149.
36. Hampp, N.; Thoma, R.; Zeisel, D.; Bräuchte, C. Adv. Chem. 1994, 240, 511-526.
37. Zhang, Y. H.; Song, Q. W.; Tseronis, C.; Birge, R. R. Opt. Lett. 1995, 20, 2429-2431.
38. Gu, L. Q.; Zhang, C. P.; Niu, A. F.; Li, J.; Zhang, G. Y.; Wang, Y. M.; Tong, M. R.; Pan, J. L.; Song, Q. W.; Parson, B.; Birge, R. R. Opt. Commun. 1996, 131, 25-30.
39. Lewis, A.; Albeck, Y.; Lange, Z.; Benchowski, J.; Weizman, G. Science 1997, 275, 1462-1464.
40. Birge, R. R.; Govender, D. S. K.; Gross, R. B.; Lawrence, A. F.; Smart, J. A.; Tallent, J. R.; Tan, E.; Vought, B. W. IEEE IEDM Technical Digest 1994, 94, 3-6.
41. Molecular electronics and hybrid computers: Vought, B. W., Birge, R. R., Eds.; Wiley-Interscience: New York, 1999; Vol. 13, pp 477-490.
42. Stuart, J. A.; Tallent, J. R.; Tan, E. H. L.; Birge, R. R. Proc. IEEE Nonvol. Mem. Technol. (INVMTC) 1996, 6, 45-51.
43. Lawrence, A. F.; Stuart, J. A.; Singh, D. L.; Birge, R. R. Proc. SPIE 1998, 3468, 258-268.
44. Bräuchle, C.; Hampp, N.; Oesterhelt, D. Adv. Mater. 1991, 3, 420-428.
45. CRC Handbook of Organic Photochemistry and Photobiology; Horspool, W. M., Song, P. S., Eds.; CRC Press: New York, 1995; p 1636.
46. Fan, M.-G.; Zhao, W. Fulgide Family Compounds: Synthesis, Photochromism, and Applications, 1st ed.; Plenum: New York, 1999; Vol. 1.
47. Varo, G.; Lanyi, J. K. Biochemistry 1991, 30, 5008-5015.
48. Kusnetzow, A.; Singh, D. L.; Martin, C. H.; Barani, I.; Birge, R. R. Biophys. J. 1999, 78, 2370-2389.
49. De Groot, H. J. M.; Harbison, G. S.; Herzfeld, J.; Griffin, R. G. Biochemistry 1989, 28, 3346-3353.
50. Luecke, H.; Richter, H. T.; Lanyi, J. K. Science 1998, 280, 1934-1937.
51. Nakanishi, K.; Crouch, R. Isr. J. Chem. 1995, 35, 253-272.
52. Asato, A. E.; Li, X. Y.; Mead, D.; Patterson, G. M. L.; Liu, R. S. H. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 7398-7399.
53. Hampp, N.; Popp, A.; Bräuchle, C.; Oesterhelt, D. J. Phys. Chem. 1992, 96, 4679-4685.
54. Tan, E. H. L.; Govender, D. S. K.; Birge, R. R. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 2752-2753.
55. Tallent, J. R.; Stuart, J. A.; Song, Q. W.; Schmidt, E. J.; Martin, C. H.; Birge, R. R. Biophys. J. 1998, 75, 1619-1634.
56. Birge, R. R.; Parsons, B.; Song, Q. W.; Tallent, J. R. Protein-based three-dimensional memories and associative processors. In Molecular Electronics; Ratner, M. A., Jortner, J., Eds.; Blackwell Science Ltd.: Oxford, U.K., 1997; pp 439-471.
57. Druzhko, A. B.; Chamorovsky, S. K. BioSystems 1995, 35, 133-136.
58. Nuss, M. C.; Zinth, W.; Kaiser, W.; Kolling, E.; Oesterhelt, D. Chem. Phys. Lett. 1985, 117, 1-7.
59. Mathies, R. A.; Brito Cruz, C. H.; Pollard, W. T.; Shank, C. V. Science 1988, 240, 777-779.
60. Pollard, W. T.; Cruz, C. H. B.; Shank, C. V.; Mathies, R. A. J. Chem. Phys. 1989, 90, 199-208.
61. Hasson, K. C.; Gai, F.; Anfinrud, P. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1996, 93, 15124-15129.
62. Simmeth, R.; Rayfield, G. W. Biophys. J. 1990, 57, 1099-1101.
63. Birge, R. R.; Findsen, L. A.; Pierce, B. M. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 5041-5043.
64. Du, M.; Fleming, G. R. Biophys. Chem. 1993, 48, 101-111.
65. Balashov, S. P.; Imasheva, E. S.; Govindjee, R.; Ebrey, T. G. Biophys. J., in press.
66. Logunov, S. L.; El-Sayed, M. A. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 6629-6633.
67. Tittor, J.; Oesterhelt, D. FEBS Lett. 1990, 263, 269-273.
68. Govindjee, R.; Balashov, S. P.; Ebrey, T. G. Biophys. J. 1990, 58, 597-608.
69. Zeisel, D.; Hampp, N. J. Phys. Chem. 1992, 96, 7788-7792.
70. Thorgeirsson, T. E.; Midler, S. J.; Miercke, L. J. W.; Betlach, M. C.; Shand, R. F.; Stroud, R. M.; Kliger, D. S. Biochemistry 1991, 30, 9133-9142.
71. Drachev, L. A.; Kaulen, A. D.; Khorana, H. G.; Mogi, T.; Otto, H.; Skulachev, V. P.; Heyn, M. P.; Holz, M. Biochemistry-USSR 1990, 54, 1195-1203.
72. Cao, Y.; Váró, G.; Klinger, A. L.; Czajkowsky, D. M.; Braiman, M. S.; Needleman, R.; Lanyi, J. K. Biochemistry 1993, 32, 1981-1990.
73. Yoshida, M.; Ohno, K.; Takeuchi, Y. J. Biochem. 1980, 87, 491-495.
74. Beischel, C. J.; Mani, V.; Govindjee, R.; Ebrey, T. G.; Knapp, D. R.; Crouch, R. K. Photochem. Photobiol. 1991, 54, 977-983.
75. Popp, A.; Wolperdinger, M.; Hampp, N.; Bräuchte, C.; Oesterhelt, D. Biophys. J. 1993, 65, 1449-1459.
76. Fischer, U. C.; Towner, P.; Oesterheldt, D. Photochem. Photobiol. 1981, 33, 529-537.
77. Tallent, J.; Song, Q. W.; Li, Z.; Stuart, J.; Birge, R. R. Opt. Lett. 1996, 21, 1339-1341.
78. Turner, G.; Miercke, L.; Thorgeirsson, T.; Kliger, D.; Betlach, M.; Stroud, R. Biochemistry 1993, 32, 1332-1337.
79. Tittor, J.; Schweiger, U.; Oesterhelt, D.; Bamberg, E. Biophys. J. 1994, 67, 1682-1690.
80. Liu, S. Y.; Ebrey, T. G. Photochem. Photobiol. 1987, 46, 263-267.
81. Birge, R. R.; Zhang, C. F. J. Chem. Phys. 1990, 92, 7178-7195.
82. Birge, R. R.; Gross, R. B.; Masthay, M. B.; Stuart, J. A. Tallent, J. R.; Zhang, C. F. Mol. Cryst. Liq. Cryst. Sci. Technol. Sect. B: Nonlinear Opt. 1992, 3, 133-147.
83. Huang, J. Y.; Chen, Z.; Lewis, A. J. Phys. Chem. 1989, 93, 3314-3320.
84. Yamazaki, M.; Goodisman, J.; Birge, R. R. J. Chem. Phys. 1998, 108, 5876-5887.
85. Oesterhelt, D.; Stoeckenius, W. Methods Enzymol. 1974, 31, 667-678.
86. Becher, B. M.; Cassim, J. Y. Prepr. Biochem. 1975, 5, 161-178.
87. Lorber, B.; DeLucas, L. J. FEBS Lett. 1990, 261, 14-18.
88. Stuart, J. A.; Vought, B. W.; Schmidt, E. J.; Gross, R. B.; Tallent, J. R.; Dewey, T. G.; Birge, R. R. IEEE EMBS, in press.
89. Shen, Y.; Safinya, C. R.; Liang, K. S.; Ruppert, A. F.; Rothschild, K. J. Nature 1993, 366, 48-50.
90. Lukashev, E. P.; Robertson, B. Bioelectrochem. Bioenerg. 1995, 37, 157-160.
91. Ni, B.; Chang, M.; Duschl, A.; Lanyi, J.; Needleman, R. GENE 1990, 90, 169-172.
92. Cline, S. W.; Doolittle, W. F. J. Bacteriol. 1987, 169, 1341-1344.
93. Ferrando, E.; Schweiger, U.; Oesterhelt, D. Gene 1993, 125, 41-47.
94. Parikh, A.; Guengerich, F. Biotechniques 1998, 24, 428-431.
95. Greener, A.; Callahan, M.; Jerpseth, B. Methods Mol. Biol. 1996, 57, 375-385.
96. Greener, A.; Callahan, M.; Jerpseth, B. Mol. Biotechnol. 1997, 7, 189-195.
97. Abdulaev, N. G.; Nabiev, I. R.; Efremov, R. G.; Chumanov, G. Biol. Membr. 1986, 3, 26-32.
98. Thompson, L. K.; McDermott, A. E.; Raap, J.; van der Wielen, C. M.; Lugtenburg, J.; Herzfeld, J.; Griffin, R. G. Biochemistry 1992, 31, 7931-7938.
99. Váró, G.; Duschl, A.; Lanyi, J. K. Biochemistry 1990, 29, 3798-3804.
100. Chizov, I.; Englehard, M.; Chernavskii, D. S.; Zubov, B.; Hess, B. Biophys. J. 1992, 61, 1001-1006.
101. Chang, C. H.; Chen, J. G.; Govindjee, R.; Ebrey, T. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1985, 82, 396-400.
102. Paek, E. G.; Jung, E. C. Opt. Lett. 1991, 16, 1034-1036.
103. Paek, E. G.; Psaltis, D. Opt. Eng. 1987, 26, 428-433.
104. Gross, R. B.; Izgi, K. C.; Birge, R. R. Proc. SPIE 1992, 1662, 186-196.
105. Parthenopoulos, D. A.; Rentzepis, P. M. Science 1989, 245, 843-845.
106. Marhic, M. E. Opt. Lett. 1991, 16, 1272-1273.
107. Dvornikov, A. S.; Rentzepis, P. M. Adv. Chem. 1994, 240, 161-178.
108. Birge, R. R. Am. Sci. 1994, 82, 349-355.
109. Birge, R. R. Sci. Am. 1995, 272, 90-95.
110. Hunter, S.; Kiamilev, F.; Esener, S.; Parthenopoulos, D. A.; Rentzepis, P. M. Appl. Opt. 1990, 29, 2058-2066.
111. Heanue, J. F.; Bashaw, M. C.; Hesselink, L. Science 1994, 265, 749-752.
112. Curtis, K.; Psaltis, D. Appl. Opt. 1992, 31, 7425-7428.
113. Maeda, A.; Sasaki, J.; Yamazaki, Y.; Needleman, R.; Lanyi, J. K. Biochemistry 1994, 33, 1713-1717.
114. Yamazaki, Y.; Sasaki, J.; Hatanaka, M.; Kandori, H.; Maeda, A.; Needleman, R.; Shinada, T.; Yoshihara, K.; Brown, L.; Lanyi, J. Biochemistry 1995, 34, 577-582.
115. Varo, G.; Lanyi, J. K. Biochemistry 1991, 30, 5016-5022.
116. Lanyi, J.; Varo, G. Isr. J. Chem. 1995, 35, 365-385.
117. Bressler, S.; Friedman, N.; Li, Q.; Ottolenghi, M.; Saha, C.; Sheves, M. Biochemistry 1999, 38, 2018-2025.
118. Fu, X.; Bressler, S.; Ottolenghi, M.; Eliash, T.; Friedman, N.; Sheves, M. FEBS Lett. 1997, 416, 167-170.
119. Govindjee, R.; Misra, S.; Balashov, S. P.; Ebrey, T. G.; Crouch, R. K.; Menick, D. R. Biophys. J. 1996, 71, 1011-1023.
120. Delaney, J.; Scheiger, U.; Subramaniam, S. PNAS 1995, 92, 11120-11124.
121. Greenhalgh, D.; Farrens, D.; Subramaniam, S.; Khorana, H. J. Biol. Chem. 1993, 268, 20305-20311.
122. Subramaniam, S.; Greenhalgh, D.; Rath, P.; Rothschild, K.; Khorana, H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1991, 88, 6873-6877.
123. Kandori, H.; Yamazaki, Y.; Hatanaka, M.; Needleman, R.; Brown, L. S.; Richter, H.-T.; Lanyi, J. K.; Maeda, A. Biochemistry 1997, 36, 5134-5141.
124. Balashov, S.; Imasheva, E.; Ebrey, T.; Chen, N.; Menick, D.; Crouch, R. Biochemistry 1997, 36, 8671-8676.
125. Renthal, R.; Chung, Y.; Escamilla, R.; Brown, L.; Lanyi, J. Biophys. J. 1997, 73, 2711-2717.
126. Misra, S.; Ebrey, T.; Crouch, R.; Menick, D. Photochem. Photobiol. 1997, 65, 1039-1044.
127. Miercke, L. J. W.; Betlach, M. C.; Mitra, A. K.; Shand, R. F.; Fong, S. K.; Stroud, R. M. Biochemistry 1991, 30, 3088-3098.
128. Downie, J. D.; Smithey, D. T. Opt. Lett. 1996, 21, 680-682.
129. Dioumaev, A. K.; Brown, L. S.; Needleman, R.; Lanyi, J. K. Biochemistry 1999, 38, 10070-10078.
130. Misra, S.; Govindjee, R.; Ebrey, T. G.; Chen, N.; Ma, J.-X.; Crouch, R. K. Biochemistry 1997, 36, 4875-4883.
131. Zscherp, C.; Heberle, J. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 10542-10547.
132. Ahl, P. L.; Stern, L. J.; Mogi, T.; Khorana, H. G.; Rothschild, K. J. Biochemistry 1989, 28, 10028-10034.
133. Dioumaev, A. K.; Richter, H.-T.; Brown, L. S.; Michikazu, T.; Tuzi, S.; Saito, H.; Kimura, Y.; Needleman, R.; Lanyi, J. K. Biochemistry 1998, 37, 2496-2506.
134. Ahl, P. L.; Stern, L. J.; Deuring, D.; Mogi, T.; Khorana, H. G.; Rothschild, K. J. J. Biol. Chem. 1988, 263, 13594-13601.
135. Birge, R. R.; Lawrence, A. F.; Tallent, J. A. Nanotechnology 1991, 2, 73-87.