DNA χρησιμοποιείται για να δημιουργηθεί αυτο-συναρμολογούμενο νανο-τρανζίστορ
Χρήση της βιολογίας για δημιουργία ηλεκτρονικών

Από την σελίδα του NewScientist και του Τεχνολογικού Ινστιτούτου του Ισραήλ, 17 Νοεμβρίου 2003

Επιστήμονες στο Τεχνολογικό Ίδρυμα του Ισραήλ (Technion) έχουν εκμεταλλευτεί την ισχύ του DNA για να δημιουργήσουν ένα αυτοσυναρμολογούμενο νανοτρανζίστορ, το βασικό λίθο της ηλεκτρονικής. Η έρευνα, που δημοσιεύεται στο περιοδικό Science της 21 Νοεμβρίου, είναι ένα κρίσιμο βήμα για την ανάπτυξη των συσκευών νανοκλίμακας.

Οι Ισραηλινοί επιστήμονες, συγκεκριμένα, εκμεταλλεύτηκαν τις δυνατότητες κάλυψης της κατασκευής με DNA και τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των νανοσωλήνων από άνθρακα για να δημιουργήσουν νανοτρανζίστορ αυτοσυναρμολογούμενα.

Ο Erez Braun, ο επικεφαλής επιστήμονας στο πρόγραμμα και συνεργάτης καθηγητής στη Σχολή Φυσικής στο Technion, λένε ότι οι επιστήμονες σκέπτονται να χρησιμοποιήσουν τη βιολογία για να φτιάξουν ηλεκτρονικές διατάξεις, όπως το τρανζίστορ, με συναρμολόγηση τους χωρίς κανένα ανθρώπινο χέρι. Εντούτοις, μέχρι τώρα, δεν έχει ακόμα δειχτεί στο εργαστήριο "Αυτή η εργασία εμφανίζει ότι μπορείτε να ξεκινήσετε με τις πρωτεΐνες του DNA και τη μοριακή βιολογία και να κατασκευάσετε μια ηλεκτρονική συσκευή," λέει ο Braun.

Η ομάδα αυτή υπερνίκησε τα προβλήματα κατασκευής νανοτρανζίστορ με μια διαδικασία δύο βημάτων. Πρώτα χρησιμοποίησαν πρωτεΐνες για να επιτρέψουν σε νανοσωλήνες από άνθρακα να συνδεθούν σε συγκεκριμένες περιοχές στα σκέλη του DNA. Κι έπειτα μετέτρεψαν το υπόλοιπο μόριο του DNA σε αγώγιμο καλώδιο.

Ο νανοσωλήνας από άνθρακα, που χρησιμοποιείται στο πείραμα, είναι μήκους μόνο 1 nm (10^-9), ή 1 pm (10^-12).

Στην επιστήμη των υπολογιστών, καθώς οι επιστήμονες φθάνουν στα όρια της χρήσης του πυριτίου, ο νανοσωλήνας από άνθρακα πιστεύεται ότι θα είναι το επόμενο βήμα για την κατασκευή τρανζίστορ πάνω σε ένα τσιπ, με πολύ μεγάλες ταχύτητες στον υπολογισμό και τη μνήμη.

Η ομάδα του Braun άρχισε τη διαδικασία κατασκευής τους επενδύοντας ένα κεντρικό μέρος ενός μακρομορίου DNA με  πρωτεϊνες από ένα βακτηρίδιο Ε. Coli . Έπειτα, νανοσωλήνες από άνθρακα επενδύθηκαν με αντισώματα τα οποία προστέθηκαν, και τα οποία δεσμεύτηκαν πάνω στην πρωτεΐνη.

Μετά από αυτό,  προστέθηκε ένα διάλυμα ιόντων αργύρου. Τα ιόντα συνδέονται χημικά με τη 'σπονδυλική στήλη' του φωσφορικού άλατος του DNA, αλλά μόνο εκεί όπου καμία πρωτεΐνη δεν έχει συνδεθεί. Μια αλδεύδη, ακολούθως, μειώνει τα ιόντα στο μεταλλικό άργυρο, σχηματίζοντας έτσι τα θεμέλια της κατασκευής ενός αγώγιμου καλωδίου.

Για να ολοκληρωθεί η συσκευή, προστέθηκε και χρυσός. Αυτός ενώνεται με τον άργυρο και δημιουργούν ένα καλώδιο πλήρως αγώγιμο. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μια συσκευή νανοσωλήνα από άνθρακα συνδεδεμένη και στα δύο άκρα από ένα σύρμα χρυσού και αργύρου.

Η συσκευή λειτουργεί ως transistor όταν μεταβάλλεται η ηλεκτρική τάση που εφαρμόζεται στο υπόστρωμα. Αυτή αναγκάζει τους νανοσωλήνες είτε να γεφυρώσουν το χάσμα μεταξύ των συρμάτων - ολοκληρώνοντας το κύκλωμα - είτε όχι. Άρα η συσκευή μπορεί να γίνει διακόπτης on και off με την εφαρμογή κάποιας τάσης.

Από τις 45 νανοσυσκευές που δημιουργήθηκαν σε θερμοκρασία δωματίου, σχεδόν το ένα τρίτον προέκυψε ως αυτοσυναρμολογούμενο τρανζίστορ. Η ομάδα έχει συνδέσει ήδη δύο από τις συσκευές μαζί, χρησιμοποιώντας τη βιολογική τεχνική.

Ο μόνος περιορισμός για τις μελλοντικές συσκευές είναι ότι τα συστατικά πρέπει να είναι συμβατά με τις βιολογικές αντιδράσεις και τη διαδικασία της μεταλλικής επίστρωσης.

Ο Braun υπογράμμισε ότι οι υπολογιστές είναι μία μόνο από τις εφαρμογές που μπορούν να έχουν αυτές οι διατάξεις, παραδείγματος χάριν, μικροσκοπικοί αισθητήρες που θα εκτελούν διαγνωστικές δοκιμές στο χώρο της υγείας.

Αν και έχουν ήδη φτιαχτεί τρανζίστορ από νανοσωλήνες από άνθρακα, οι επιστήμονες από το Ισραήλ θέλουν αυτά τα νανοκυκλώματα να αυτοσυναρμολογούνται, επιτρέποντας έτσι μια μεγάλης κλίμακας κατασκευή  τέτοιων ηλεκτρονικών.

Το DNA, σύμφωνα με τον Braun, είναι κατάλληλο γιατί είναι αυτο-συναρμολογούμενες δομικές μονάδες. Έχουν όμως ένα μειονέκτημα, δεν άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα.

Ο στόχος του Braun, όπως εξηγήθηκε, ήταν να δημιουργηθεί ένα κύκλωμα, με τους νανοσωλήνες να είναι ευθυγραμμισμένοι παράλληλα με το σκέλος του DNA, συναντώντας τα νανοσύρματα σε καθένα άκρο. Έτσι θα  κατασκευαζόταν ένα κύκλωμα.

"Οι νανοσωλήνες με άνθρακα είναι φυσικώς άκαμπτες δομές, και το πρωτεϊνικό επίστρωμα καθιστά, επίσης, το σκέλος του DNA άκαμπτο. Οι δύο άκαμπτες ράβδοι θα ευθυγραμμιστούν παράλληλα η μια στην άλλη, κάνοντας κατά συνέπεια ένα ιδανικό κατασκεύασμα DNA-νανοσωλήνα. Δηλαδή ένα κύκλωμα με νανοσωλήνα αυτοσυναρμολογούμενο," ολοκλήρωσε.

Ο Braun πρόσθεσε, πάντως, ότι ενώ αυτή η έρευνα καταδεικνύει τη δυνατότητα χρήσης της βιολογίας ως πλαίσιο στην κατασκευή ηλεκτρονικών διατάξεων, η δημιουργία συτοσυναρμολογούμενων τρανζίστορ από νανοσωλήνες άνθρακα έχει ακόμα μέλλον.