Группа исследователей из Колумбийского университета создала первый в своем роде чип, который работает за счет биохимической энергии, получаемой им от тех же самых молекул, которые являются "топливом" для всех живых клеток. В будущем на основе этих технологий могут быть созданы крошечные устройства, предназначенные для внедрения внутрь клеток живых организмов, которые для выполнения своей работы будут использовать энергию, вырабатываемую этими клетками.

Молекулы аденозинтрифосфата (adenosine triphosphate, ATP) заключают в себе достаточно большое количество энергии. Они служат для транспортировки энергии внутри организма от места, где вырабатывается эта энергия, к месту, где она потребляется. В новом биохимическом чипе используется естественный калий-натриевый фермент ATPases, молекулы которого расщепляют молекулы аденозинтрифосфата, в результате чего высвобождается заключенная в них энергия. Для превращения этой энергии используется ионная мембрана, которая пропускает сквозь себя только ионы натрия и калия, что приводит к появлению электрического потенциала.

"Ионные насосы - это аналоги электронных компонентов, функционирующие внутри живых систем" - рассказывает Кен Шепард (Ken Shepard), ведущий исследователь из Колумбийского университета.

В своем чипе исследователи использовали фермент ATPases, изъятый из мозга животного, молекулы которого были осаждены на поверхность жировой мембраны. На квадратном миллиметре поверхности мембраны находилось около 2 миллионов молекул и это составляет всего пять процентов от плотности таких молекул на мембранах нервных тканей млекопитающих.



В присутствии достаточной концентрации аденозинтрифосфата ионный насос произвел электрический потенциал в 78 милливольт. А "биоячейка", состоящая из двух последовательных мембран может обеспечить электрический потенциал, при котором могут работать схемы на комплементарных МОП-транзисторах. Эффективность преобразования ячейкой химической в электрическую энергию составляет 14.9 процента.

Поскольку аденозинтрифосфат встречается только внутри клеток, новая система не может работать в кровотоке организма и приводить в действие различные устройства, такие как имплантаты или кардиостимуляторы. "Однако, такая система может привести в действие очень крошечный имплантат, достаточно маленький для того, чтобы быть помещенным внутрь живой клетки" - рассказывает Кен Шепард, - "Твердые материалы уже используются для изготовления наночастиц, используемых в терапевтических целях, и мы стремимся сделать так, чтобы эти частицы могли что-либо вычислять, принимать решения и действовать в соответствии с этими решениями".

В своих следующих исследованиях ученые из Колумбийского университета будут пытаться интегрировать белки и ферменты других типов в электронику, благодаря чему эта электроника обретет способность ощущать естественным способом запахи, вкус и т.п. "Существуем множество способов объединения твердотельных компонентов с биологическими компонентами, выращенными искусственно или взятыми из живых клеток" - рассказывает Кен Шепард, - "И в некоторых случаях такое объединение может стать очень полезным".


Источник