Впервые в мире создан чип с биологическим источником питания

Исследователи из Колумбийского университета (США) впервые использовали молекулярные механизмы биологических систем для питания интегральных микросхем (ИС). Электрический ток получили из живой структуры на основе аденозинтрифосфата (АТФ). Это открытие позволит создавать абсолютно новые искусственные системы из биологических и твердотельных компонентов, одним из ожидаемых применений которых будет и робототехника.

Ток из живой структуры удалось получить путем интеграции обычной ИС на основе твердотельного комплементарного металло-оксидного полупроводника (КМОП) с искусственной двухслойной липидной мембраной, содержащей ионные насосы, питаемые АТФ. Исследование проводилось под руководством Кена Шепарда, профессора электротехники и биомедицинской инженерии в Колумбийском университете.

Лаборатория Шепарда является лидером в разработке специализированных твердотельных систем, сопрягаемых с биологическими системами. Отмечается, что, несмотря на ошеломляющие успехи в развитии твердотельной КМОП электроники, она не способна к воспроизведению определенных функций живых систем, включая чувства вкуса и запаха, использование биохимических источников энергии. Живые системы достигают этой функциональности с помощью собственной электронной версии на основе липидных мембран, ионных каналов и насосов, которые выступают в качестве своего рода биологического транзистора.

Для перемещения энергии и информации они используют заряды в виде ионов. Ионные каналы управляют потоком ионов через клеточные мембраны. Твердотельные системы, подобные тем, что применяют в компьютерах и устройствах связи, используют электроны. Для управления сигналами и энергией используются полевые транзисторы.

В некоторых живых системах энергия, сохраненная в виде потенциалов через липидные мембраны, создается посредством действия ионных насосов. АТФ используется для транспортировки энергии от источника генерации к месту потребления в ячейке. Чтобы создать прототип своей гибридной системы, команда Шепарда во главе с аспирантом Джаредом Роземаном объединила интегральную схему с биоячейкой АТФ. При наличии АТФ, система прокачивает ионы через мембрану, создавая электрические потенциалы, собираемые ИС.

В то время, как другие исследователи просто собирают энергию из живых систем, Шепард и его команда хотят сделать это на молекулярном уровне, выделяя только нужную функцию для взаимодействия ее с электроникой. «Нам не нужна вся ячейка», — объясняет он. «Мы просто захватываем компонент ячейки, который делает то, что мы хотим. В этом проекте мы выделили АТ фазу, потому что эти белки позволили нам извлекать энергию из АТФ».

«При соответствующем масштабировании эта технология может обеспечить источник питания для имплантируемых систем в богатых АТ фазах, какими являются живые клетки», — добавил Роземан.