Ερευνητές του Columbia University in the City of New York (Columbia Engineering) κατάφεραν για πρώτη φορά να αξιοποιήσουν τους μοριακούς «μηχανισμούς» ζωντανών συστημάτων για την τροφοδοσία με ενέργεια ενός ενσωματωμένου κυκλώματος από τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP).
Το πέτυχαν αυτό ενσωματώνοντας ένα συμβατικό, στέρεας κατάστασης κύκλωμα ημιαγωγού (CMOS) με μια τεχνητή μεμβράνη δύο στρωμάτων λιπιδίων, που περιείχε «αντλίες» ιόντων που κινούνται χάρη στο ΑΤΡ. Αυτό ανοίγει τον δρόμο για την δημιουργία εντελώς νέων τεχνητών συστημάτων, που περιέχουν τόσο βιολογικά όσο και συμβατικού χαρακτήρα εξαρτήματα.
Επικεφαλής της έρευνας, που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications, ήταν ο Κεν Σέπαρντ.
«Συνδυάζοντας μια βιολογική ηλεκτρονική συσκευή με CMOS, θα είμαστε σε θέση να δημιουργήσουμε νέα συστήματα, που δεν ήταν δυνατά με τη χρήση της κάθε τεχνολογίας μεμονωμένα» αναφέρει σχετικά ο Σέπαρντ.
Παρά την επιτυχία τους, τα ηλεκτρονικά CMOS δεν είναι ικανά να αναπαράγουν λειτουργίες που αποτελούν «αποκλειστικότητες» ζωντανών συστημάτων, όπως οι αισθήσεις της γεύσης και της οσμής και η χρήση βιοχημικών πηγών ενέργειας. Τα ζωντανά συστήματα το καταφέρνουν αυτό με τη δική τους «ηλεκτρονική τεχνολογία», βασισμένη σε μεμβράνες λιπιδίων, κανάλια ιόντων και αντλίες, που λειτουργούν ως «βιολογικά τρανζίστορ». Χρησιμοποιούν ηλεκτρικό φορτίο υπό τη μορφή ιόντων για τη μεταφορά ενέργειας και πληροφοριών- τα κανάλια ιόντων ελέγχουν τη ροή ιόντων κατά μήκος κυτταρικών μεμβρανών. Τα στέρεα (solid state) συστήματα (υπολογιστές, ηλεκτρονικές συσκευές) χρησιμοποιούν ηλεκτρόνια.
Σε ζωντανά συστήματα, η ενέργεια αποθηκεύεται σε μεμβράνες λιπιδίων, που επί της προκειμένης δημιουργήθηκαν μέσω αντλιών ιόντων. Το ΑΤΡ χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ενέργειας από εκεί όπου παράγεται, εκεί όπου καταναλώνεται. Για τη δημιουργία του υβριδικού της συστήματος, η ομάδα του Σέπαρντ, υπό τον διδακτορικό φοιτητά Τζάρεντ Ρόουζμαν, «πακέταρε» ένα ενσωματωμένο κύκλωμα CMOS με ένα «βιοκύτταρο» συλλογής ΑΤΡ. Παρουσία του ΑΤΡ, το σύστημα ωθεί ιόντα κατά μήκος της μεμβράνης, παράγοντας ηλεκτρικό δυναμικό που συλλέγεται από το κύκλωμα.
Αν και συλλογή ενέργειας από ζωντανά συστήματα έχει επιτευχθεί και από άλλες ερευνητικές ομάδες, ο Σέπαρντ και η ομάδα του εξερευνούν πώς θα το κάνουν αυτό σε μοριακό επίπεδο, απομονώνοντας απλά την επιθυμητή λειτουργία και βάζοντάς την να αλληλεπιδράσει με ηλεκτρονικά. «Δεν χρειαζόμαστε όλο το κύτταρο» εξηγεί. «Απλά πιάνουμε το τμήμα του το οποίο κάνει αυτό που θέλουμε».
