全新人工系統(tǒng)：生物能量驅(qū)動(dòng)芯片！

三磷酸腺苷(ATP)是生物細(xì)胞維持生命活動(dòng)的直接能量來(lái)源，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)卻首次用這種生物能量來(lái)驅(qū)動(dòng)芯片。

他們將一個(gè)傳統(tǒng)的固態(tài)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成電路同一個(gè)帶有ATP供電離子泵的人工脂質(zhì)雙層膜結(jié)合在了一起。這項(xiàng)發(fā)表在7日《自然通訊》網(wǎng)絡(luò)版的最新研究為創(chuàng)建同時(shí)包含生物和固態(tài)組件的全新人工系統(tǒng)打開了大門。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、哥倫比亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院電氣工程和生物醫(yī)學(xué)工程教授肯?謝潑德指出，CMOS固態(tài)電子器件無(wú)法復(fù)制生命系統(tǒng)所具有的特定自然功能，比如味覺和嗅覺，也無(wú)法利用生物化學(xué)能源;生命系統(tǒng)則基于脂膜以及離子通道和泵，構(gòu)建了自己的“生物晶體管”，用離子來(lái)運(yùn)載能量和信息。

研究團(tuán)隊(duì)為CMOS集成電路裝上了一塊ATP“生物電池”。有了ATP，這個(gè)新系統(tǒng)能夠泵送離子穿過(guò)膜，從而產(chǎn)生可被集成電路所用的電勢(shì)。他們制造了一個(gè)宏觀尺度的系統(tǒng)原型，規(guī)模約為幾毫米，來(lái)驗(yàn)證其是否能正常工作。謝潑德說(shuō)，研究結(jié)果幫助他們確定了在何種條件下可以使ATP的利用效率最大化，接下來(lái)他們將考慮怎樣才能縮小這個(gè)新系統(tǒng)的規(guī)模。

盡管其他研究小組已經(jīng)能夠采集來(lái)自生命系統(tǒng)的能量，但謝潑德團(tuán)隊(duì)探索的是如何在分子水平上做到這一點(diǎn)，只將所需的功能分隔出來(lái)，然后集成到電子器件上。他解釋說(shuō)，就這個(gè)項(xiàng)目而言，他們并不需要整個(gè)細(xì)胞，而只是分離出ATP酶，這些蛋白質(zhì)讓他們能夠從ATP獲取能量。

這種將固態(tài)電子組件與生物組件的功能結(jié)合在一起的系統(tǒng)應(yīng)用潛力很大。該團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的博士研究生賈里德?羅斯曼說(shuō)，通過(guò)適當(dāng)?shù)乜s放，該技術(shù)可以為ATP豐富的環(huán)境，如活細(xì)胞內(nèi)的植入系統(tǒng)提供電源。

細(xì)胞利用能量的效率是很高的，即使精細(xì)的集成電路也相形見絀，關(guān)鍵就靠三磷酸腺苷。如今，人造系統(tǒng)追趕了上來(lái)，用的也是三磷酸腺苷。新式生物供電器的問(wèn)世，不但可讓芯片在人體內(nèi)長(zhǎng)久工作，還可能催生更高級(jí)的納米機(jī)器人，它們會(huì)像微生物那樣強(qiáng)韌和活躍。