Инженери изследователи от Columbia Engineering за първи път са впрегнали молекулярен механизъм от живи системи за задвижване на интегрална схема от аденозин трифосфат (ATP) – коензим, отговарящ за енергийния трансфер между клетките и наричан често енергийната валута на живота. Те постигнали това чрез интегриране на конвенционална твърдотелна комплиментарна метал-оксид полупроводникова (CMOS) интегрална схема с една изкуствена липидна двуслойна мембрана, съдържаща йонни помпи, задвижвани от ATP. Това отваря вратата за създаване на изцяло нови изкуствени системи, които съдържат както биологичен, така и твърдотелен компонент. Изследването, ръководено от професор Кен Шепърд е публикувано онлайн на 7 декември в Nature Communications.
„С комбинирането на биологично електронно устройство с CMOS ще бъдем в състояние да създадем нови системи, каквито не са възможни с всяка от отделните технологии – казва Шепърд. – Ние сме развълнувани от перспективата за разширяване на палитрата от активни устройства, които ще имат нови функции, като например събиране на енергия от ATP, както е направено тук, или разпознаване на специфични молекули, което дава на чиповете потенциал за вкус и мирис.“ 
Молекула на аденозин трифосфат
Шепърд, чиято лаборатория е лидер в разработването на специални твърдотелни системи като интерфейс към биологични системи, отбелязва, че въпреки огромния си успех, CMOS твърдотелната електроника не в състояние да репликира определени функции на природните живи системи, като сетивата за вкус и мирис и използването на биохимични енергийни източници.
Живите системи постигат тази функционалност със своя собствена версия на електроника, базирана на липидни мембрани и йонни канали и помпи, които действат като един вид биологичен транзистор. Те използват зареждане под формата на йони за пренос на енергия и информация – йонни канали контролират потока от йони през клетъчните мембрани. Твърдотелните системи, като например тези в компютрите и устройствата за комуникация, работят с електрони, като електронният сигнал и захранването се контролират от полеви транзистори.
CMOS „вафла“
В живите системи енергията се съхранява в потенциали по липидни мембрани, в този случай създадени чрез действието на йонни помпи. ATP се използва за транспортиране на енергия, от мястото където тя се генерира до мястото, където се консумира в клетката. За изграждането на прототип на своята хибридна система екипът на Шепърд съчетава CMOS интегрална схема с биоклетка, събираща ATP. В присъствието на АТР системата изпомпва йони през мембраната, произвеждайки електрически потенциал, използван от интегралната схема.
Въпреки че и други групи са събирали енергия от живи системи, Шепард и неговият екип проучват как да направите това на молекулярно ниво, изолирайки само желаната функция и поставяйки я във взаимодействие с електрониката. „Ние не се нуждаем от цялата клетка – обяснява той. – Просто вземаме компонент от клетката, който прави това, което искаме. За този проект ние изолирахме ензими, декомпозиращи ATP, защото те са протеините, които ни позволяват да извличаме енергия от ATP.“
Способността да се изгради система, която комбинира силата на твърдотелната електроника с възможностите на биологични компоненти е многообещаваща. „Сега ни трябват обучени кучета, които да подушват бомби, но ако можем да вземем само част от кучето – като молекулите, които усещат – не би ни трябвало цялото животно“ – казва Шепърд.