Создан чип с биологическим питанием: система объединяет каналы биологических ионов с твердотельными транзисторами для создания нового типа электроники.

«Комбинируя биологическое электронное устройство с КМОП, мы сможем создавать новые системы, невозможные с помощью одной только технологии», — говорит Шепард. «Мы воодушевлены перспективой расширения палитры активных устройств, которые будут иметь новые функции, такие как сбор энергии из АТФ, как это было сделано здесь, или распознавание определенных молекул, придавая чипам потенциал вкуса и запаха. Это было довольно сложно уникальное новое направление для нас, и у него есть большой потенциал, чтобы дать твердотельным системам новые возможности с биологическими компонентами ».

Шепард, чья лаборатория является лидером в разработке спроектированных твердотельных систем, связанных с биологическими системами, отмечает, что, несмотря на огромный успех, твердотельная электроника КМОП неспособна воспроизвести определенные функции, естественные для живых систем, такие как чувство вкуса. запах и использование биохимических источников энергии. Живые системы достигают этой функциональности с помощью собственной версии электроники, основанной на липидных мембранах, ионных каналах и насосах, которые действуют как своего рода «биологический транзистор».

Они используют заряд в виде ионов для передачи энергии и информации — ионные каналы контролируют поток ионов через клеточные мембраны. Твердотельные системы, например, в компьютерах и устройствах связи, используют электроны; их электронная сигнализация и мощность контролируются полевыми транзисторами.

В живых системах энергия накапливается в виде потенциалов через липидные мембраны, в данном случае создаваемых за счет действия ионных насосов. АТФ используется для транспортировки энергии от места, где она генерируется, к месту, где она потребляется в клетке.

Чтобы создать прототип своей гибридной системы, команда Шепарда, возглавляемая аспирантом Джаредом Роузманом, упаковала КМОП интегральную схему (ИС) с «биоячейкой», собирающей АТФ. В присутствии АТФ система перекачивает ионы через мембрану, создавая электрический потенциал, собираемый IC.«Мы сделали макромасштабную версию этой системы в масштабе нескольких миллиметров, чтобы проверить, работает ли она», — отмечает Шепард. «Наши результаты позволяют по-новому взглянуть на обобщенную модель схемы, что позволяет нам определить условия для максимального увеличения эффективности использования химической энергии за счет действия этих ионных насосов.

Теперь мы рассмотрим, как уменьшить масштаб системы».В то время как другие группы собирали энергию из живых систем, Шепард и его команда изучают, как это сделать на молекулярном уровне, выделяя только желаемую функцию и взаимодействуя с электроникой. «Нам не нужна вся камера», — объясняет он. «Мы просто захватываем тот компонент клетки, который делает то, что мы хотим. Для этого проекта мы изолировали АТФазы, потому что они были белками, которые позволяли нам извлекать энергию из АТФ».

Возможность создания системы, сочетающей мощность твердотельной электроники с возможностями биологических компонентов, имеет большие перспективы. «Вам сейчас нужна собака, вынюхивающая бомбы, но если вы сможете взять только ту часть собаки, которая полезна — молекулы, которые делают зондирование, — нам не понадобится все животное», — говорит Шепард.«При соответствующем масштабировании эта технология может обеспечить источник питания для имплантированных систем в богатой АТФ среде, например, внутри живых клеток», — добавил Роузман.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *