Komputery na mikrobach

Prace badawcze nad inżynierią genetyczną wirusów mają doprowadzić do stworzenia nowych wyświetlaczy, pamięci czy nawet układów scalonych w nanoskali.

Prace badawcze nad inżynierią genetyczną wirusów mają doprowadzić do stworzenia nowych wyświetlaczy, pamięci czy nawet układów scalonych w nanoskali.

Nanotechnologia i biotechnologia są dziedzinami rozwijającymi się równie burzliwie i chaotycznie, jak przemysł informatyczny przed dwudziestoma laty. Prace prowadzone są w wielu różnych kierunkach i obecnie trudno przewidzieć, które obszary i firmy zyskają decydujące znaczenie w przyszłości. Bez wątpienia jednak dzisiejsze osiągnięcia - z małymi wyjątkami wciąż nie przekraczające progów laboratoriów badawczych - pozwolą na stworzenie rozwiązań, które przeobrażą dostępne dzisiaj urządzenia elektroniczne i komputerowe.

Jednym z głównych problemów w nanotechnologii jest nieadekwatność rozmiarów narzędzi, jakimi dysponujemy, do skali tworzonych obiektów. Stąd pomysł zaprzęgnięcia naturalnych organizmów, np. wirusów, do budowy trójwymiarowych układów w nanoskali. Inżynieria genetyczna może pomóc w opracowaniu metod kierowania zachowaniem tych organizmów.

Jak z Warszawy do Uralu

Nanotechnologia zajmuje się obiektami, które mają rozmiary nanometrów, czyli są sto tysięcy razy cieńsze od ludzkiego włosa (gdyby 1 grosz miał średnicę jednego nanometra, to po przeskalowaniu do fizycznych rozmiarów zająłby kilka tysięcy kilometrów). Przy nanometrach mamy do czynienia z atomami, a "tradycyjne" prawa fizyki przestają działać. "W nanorzeczywistości intuicja potrafi zawodzić. Człowiek jest gotów uważać, że coś nie ma prawa działać, a jednak działa" - mówi Gerd Binnig, naukowiec z ośrodka badawczego IBM w Zurichu, twórca polimerowych dysków, na których można przechowywać ponad 400 Gb danych na powierzchni jednego cala kwadratowego.

Zespół naukowców University of Texas, pod kierunkiem prof. Angeli Belcher, prowadzi prace mające na celu wykorzystanie protein do kontrolowania procesu powstawania nanostruktury materiałów nieorganicznych, w tym półprzewodników. W badaniach tych także posłużono się , które miały zdolność tworzenia nanokryształów. Wykorzystano osiągnięcia wielu dyscyplin naukowych: chemii materiałowej, syntezy nieorganicznej, biologii molekularnej, biochemii czy elektroniki. Cel to stworzenie biologicznych, hybrydowych, trójwymiarowych materiałów, w których można "zaprogramować" wewnętrzną strukturę.

Mogą to być struktury małych półprzewodników, tworzące dziury dla pojedynczych elektronów. Struktury te mogą posłużyć do stworzenia układów elektronicznych mniejszych niż miniaturowe (obecnie dostępne technologie litografii laserowej pozwalają na stworzenie układów o ścieżkach mających co najmniej 130 nanometrów). By było to możliwie, trzeba opracować metodę kontroli procesu formowania tych struktur, tak aby uzyskać ich zakładany porządek.

Naukowcy z University of Texas poradzili sobie z tym, wykorzystując wirusy (o bardzo wydłużonym kształcie - średnica: 6 nanometrów i aż 880 długości), które infekują bakterie i w nich się rozmnażają. Wirusy są zdolne do łączenia się z cząsteczkami siarczku cynku. Umieszczone w jego roztworze formują nanokryształy o średnicy 20 nanometrów. Kryształy te mogą funkcjonować jako atomowe elementy półprzewodnikowe. Co istotne, w przeprowadzonym niedawno eksperymencie przy odpowiednim ustawieniu każdego parametru doświadczenia wszystkie wirusy ustawiły się w idealnym porządku, zachowując taką samą odległość między sobą (podobnie jak cząsteczki w procesie polimeryzacji).

Po osuszeniu roztworu na substracie powstaje cienka, przezroczysta powłoka, złożona z wirusów i nanocząstek, o powierzchni zaledwie kilku centymetrów kwadratowych. Powłoka ta była wystarczająco mocna, by wytrzymać próby przebicia jej z użyciem umiarkowanej siły.

Na razie taka powłoka nie nadaje się do praktycznego wykorzystania. Ale jest to punkt wyjścia do dalszych badań nad stworzeniem nowych technologii wyświetlaczy czy bardzo gęstych pamięci magnetycznych albo nawet układów liczących, znacznie mniejszych niż te, które potrafimy dzisiaj wyprodukować. Kluczem jest połączenie elementów znajdujących się na powłoce (zespół prof. A. Belcher stara się opracować metodę zastąpienia wskazanych grup wirusów przewodzącymi mikrowłóknami). Gdyby to się udało, uzyskamy układ elektroniczny.

Żywa pamięć

Układy molekularne długo jeszcze nie będą lepsze od krzemowych (np. w laboratoriach Hewlett-Packarda skonstruowano 16-bitową pamięć biologiczną, w 2005 r. powinna ona osiągnąć 16 Kb), ale w masowej produkcji będą znacznie tańsze. Powinny kosztować nie więcej niż plastikowe opakowanie, co może istotnie zmienić sposób korzystania z urządzeń elektronicznych. Będą to coraz częściej rozwiązania jednorazowego użytku.

Własne prace nad nanotechnologiami prowadzą naukowcy w Japonii (pod pewnymi względami wyprzedzając nawet USA) oraz Unii Europejskiej (w ramach realizacji VI Programu Ramowego na prace dotyczące nanotechnologii ma być wydatkowane ok. 1 mld euro).

#Przykład z przyrody#
Pewne organizmy morskie budują muszle, tworząc kolejne warstwy z kredy, przy czym każda z nich musi być mierzona w nanometrach. Procesem wzrostu kierują instrukcje uzyskiwane z protein. Prof. Angela Belcher (www.cm.utexas.edu/belcher) stara się wykorzystać podobny mechanizm do budowy nowej generacji materiałów półprzewodnikowych. Po dołączeniu protein do grup atomów tworzących półprzewodnikowy kryształ, naukowcy są w stanie kontrolować sposób wzrastania takiego kryształu (np. proteiny mogą w pewnym momencie zablokować możliwość dołączenia się innych atomów, wstrzymując proces narastania kryształu). Wykorzystanie tych zjawisk mogłoby potencjalnie pozwolić na stworzenie nowych technologii wyświetlaczy czy bardzo gęsto upakowanych pamięci magnetycznych albo nawet układów liczących, znacznie mniejszych niż te, które potrafimy dzisiaj wyprodukować.