دانشمندان اولین تراشه بیولوژیکی جهان را طراحی کردند

رؤیای ترکیب ماشین‌های ساخته شده به دست انسان و مدل‌های بیولوژیکی به همت پژوهش‌گران Columbia Engineering اکنون کمی به واقعیت نزدیک‌تر شده است.



رؤیای ترکیب ماشین‌های ساخته شده به دست انسان و مدل‌های بیولوژیکی به همت پژوهش‌گران Columbia Engineering اکنون کمی به واقعیت نزدیک‌تر شده است. به‌طوری که این گروه برای اولین بار موفق شدند فرآیند بیولوژیکی تولید نیروی شیمیایی را برای تغذیه یک مدار مجتمع CMOS مهار کنند.

با توجه به مطالعات انجام گرفته از سوی پروفسور کن شپارد، این اولین تلاش موفقیت‌آمیز برای ایزوله کردن یک فرآیند بیولوژیکی و تولید نیرو برای یک مدار مجتمع در سطح جهان به شمار می‌رود. درست همانند کاری که در کامپیوترها و اسمارت‌فون‌ها انجام می‌شود. محققان سیستمی را با استفاده از غشاء دو لایه لیپدی مصنوعی طراحی کرده‌اند که به ‌طور طبیعی دارای پمپ‌های یونی بوده که نیروی خود را از طریق مولکول انرژی‌زا ATP (سرنام Adenosine triphosphate یا آدنوزین تری فسفات) دریافت می‌کند.

ATP یک کوآنزیم بوده که انرژی شیمیایی مابین سلول‌های زنده را انتقال می‌دهد. (ساختار داخلی "آدنوزین تری فسفات" متشکل از اسید نوکلئیک است. اسید نوکلئیک متشکل از یک زنجیره طولانی مولکولی بوده که از به هم پیوستن نوکلئوتیدها ساخته می‌شود. نوکلئوتیدها از عناصر مختلفی همچون فسفریک ترکیبی اسیدی ساخته می‌شوند. "آدنوزین تری فسفات" نوکلئوتیدی است که نقش حامل انرژی را در سلول‌ها بازی می‌کند. ) خروجی نهایی این ترکیب، فرآیندهایی همچون فتوسنتز یا تنفس سلولی است که نیروی لازم برای انجام فعالیت‌های مکانیکی سیستم‌های زنده همچون تقسیم سلولی یا انقباض عضلانی را امکان‌پذیر می‌سازد.


دانشمندان اولین تراشه بیولوژیکی جهان را طراحی کردند


محققان موفق شده‌اند این غشا لیپدی را به یک مدار مجتمع نیمه هادی اکسید فلزی CMOS متصل کرده و انرژی مورد نیاز آن‌را با استفاده از پمپ‌های یونی تأمین کنند. شپارد در این باره گفته است: «پمپ‌های یونی شباهت بسیار زیادی به ترانزیستورها دارند. پمپ‌هایی که ما در این پروژه از آن‌ها استفاده کردیم دقیقا همان پمپ‌هایی است که برای حفظ پتانسیل استراحت سیستم اعصاب مورد استفاده قرار می‌گیرند. ترکیب یک دستگاه الکترونیکی زیستی با سیموس (CMOS) این توانایی را در اختیار ما قرار می‌دهد تا سیستم‌های جدیدی را بسازیم که تا پیش از این هیچ‌یک از این فناوری‌ها به تنهایی قادر به ساخت آن نبودند.

چشم‌انداز این دستاورد جدید باعث گسترش سطح فعالیت دستگاه‌ها می‌شود، به‌طوری که یکسری قابلیت‌های جدید را در اختیار آن‌ها قرار می‌دهد، مهار انرژی ATP همان کاری که ما آن‌را انجام دادیم، تشخیص مولکول‌های خاص که به تراشه‌ها پتاسیل چشیدن و بو کردن را می‌دهد از جمله این قابلیت‌ها به شمار می‌روند. این یک دستاورد کاملا منحصر به فرد به شمار رفته، به‌طوری که مسیرهای جدیدی در ارتباط با ارائه قابلیت‌های جدید به سیستم‌های حالت جامد همراه با مؤلفه‌های زیست فناوری را خواهد داد. ما در این پروژه از یک مؤلفه زیست فناوری که به صورت مصنوعی و ایزوله ساخته شده است، استفاده کرده‌ایم. در حال حاضر ما به کل سلول نیازی نداریم. ما تنها به بخشی از مؤلفه یک سلول نیاز داریم که فعالیت مورد نظر ما را انجام می‌دهد. ما در این پروژه همچنین ATPase را ایزوله کردیم،(ATPase گونه‌ای از آنزیم‌ها به شمار رفته که باعث سرعت بخشیدن به تجزیه ATP می‌شود. واکنشی که منجر به آزاد سازی انرژی می‌شود.) این ایزوله کردن به ما اجازه می‌دهد انرژی ذخیره‌ شده در ATP را استخراج کنیم.»

شپرد می‌گوید، تیمی که تحت سرپرستی او قرار داشتند از چشم‌اندازهای گسترده و وسیعی که این تحقیق پیش روی دنیای الکترونیک قرار می‌دهد هیجان زده شده‌اند. او در بخشی از صحبت‌های خود گفته است: «آن‌چنان‌که فناوری کم کم به حد و مقیاس نهایی خود نزدیک شده است، ما باید کمی خلاقانه‌تر و گسترده‌تر به دنبال راه حل‌هایی برای تعریف دستگاه‌های الکترونیکی و سامانه‌های مواد باشیم. به‌طوری که با استفاده از آن‌ها دستگاه‌های الکترونیکی را ایجاد کنیم. ما چگونه می‌توانیم پالت‌ها را گسترش دهیم؟ این دقیقا همان کاری است که در حال انجام آن هستیم.»

چالش‌ اصلی در ارتباط با مقیاس‌پذیر کردن این سیستم‌ها و راه‌هایی برای مدیریت این سیستم‌های زیست‌فناوری است. اگر بتوانیم دو حوزه زیست فناوری و الکترونیک جامد را با یکدیگر ترکیب کنیم، ‌آن‌گاه خواهیم توانست بسیاری از نواقص این دو حوزه بر طرف کرده و یک هم‌گرایی قدرتمند را به وجود آوریم. به‌طوری که دستگاه‌هایی با ویژگی‌های قدرتمند و منحصربه‌فردتر را ایجاد کنیم. این ترکیب باعث می‌شود، دیگر محدود به یک تراشه‌ عادی نباشیم، بلکه یک پالت کاربردی پیشرفته با قابلیت انجام کارهای مختلف را در اختیار داشته باشیم.

منبع :