«В объединении биологического электронного устройства с CMOS мы будем в состоянии создать новые системы, не возможные с одной только любой технологией», говорит Шепард. «Мы взволнованы перспективой расширения палитры активных элементов, у которых будут новые функции, такие как сбор урожая энергии от ATP, как был сделан здесь, или признание определенных молекул, дав жареному картофелю потенциал, чтобы являться на вкус и пахнуть. Это было вполне уникальным новым направлением для нас, и у него есть большой потенциал, чтобы дать твердотельным системам новые возможности с биологическими компонентами».Шепард, лаборатория которого – лидер в развитии спроектированных твердотельных систем, соединявших к биологическим системам, отмечает, что несмотря на его подавляющий успех, CMOS твердотельная электроника неспособна к репликации определенных функций, естественных для живущих систем, таких как вкусы и запах и использование биохимических источников энергии.
Живущие системы достигают этой функциональности со своей собственной версией электроники на основе мембран липида и ионных каналов и насосов, которые действуют как своего рода ‘биологический транзистор’. Они используют обвинение в форме ионов, чтобы нести энергию и информацию – ионные каналы управляют потоком ионов через клеточные мембраны. Твердотельные системы, такие как те в компьютерах и коммуникационных устройствах, используют электроны; их электронной передачей сигналов и властью управляют транзисторы полевого эффекта.В живущих системах энергия сохранена в потенциалах через мембраны липида, в этом случае созданные посредством действия насосов иона.
ATP используется, чтобы транспортировать энергию от того, где это произведено туда, где это потребляется в клетке. Чтобы построить прототип их гибридной системы, команда Шепарда, во главе со студентом доктора философии Джаредом Роземеном, упаковала интегральную схему (IC) CMOS с получающей ATP ‘биоклеткой’.
В присутствии ATP система накачала ионы через мембрану, произведя электрический потенциал, полученный IC.«Мы сделали версию макромасштаба этой системы в масштабе нескольких миллиметров, чтобы видеть, работало ли это», отмечает Шепард. «Наши результаты обеспечивают новое понимание обобщенной модели схемы, позволяя нам определить условия максимизировать эффективность использования химической энергии посредством действия этих насосов иона. Мы будем теперь смотреть на то, как сократить систему».
В то время как другие группы получили энергию от живущих систем, Шепард и его команда исследуют, как сделать это на молекулярном уровне, изолировав просто желаемую функцию и соединяя это с электроникой. «Нам не нужна целая клетка», объясняет он. «Мы просто захватываем компонент клетки, это делает то, что мы хотим. Для этого проекта мы изолировали АТФазы, потому что они были белками, которые позволили нам извлекать энергию из ATP».
У способности построить систему, которая объединяет силу твердотельной электроники с возможностями биологических компонентов, есть большое обещание. «Вам нужна вдыхающая бомбу собака теперь, но если Вы можете принять просто участие собаки, которая полезна – молекулы, которые делают ощущение – нам не было бы нужно целое животное», говорит Шепард.«С соответствующим вычислением эта технология могла обеспечить источник энергии для внедренных систем в богатой ATP окружающей среде такой как в живых клетках», добавил Роземен.