_ Cercetarea combină Origami ADN și fotolitografia pentru a se apropia cu un pas de computerele moleculare

Componentele moleculare ale computerelor ar putea reprezenta o nouă revoluție IT și ne pot ajuta să creăm computere mai ieftine, mai rapide, mai mici și mai puternice. Cu toate acestea, cercetătorii se străduiesc să găsească modalități de a le asambla mai fiabil și mai eficient.

Pentru a ajuta la realizarea acestui lucru, oamenii de știință de la Institutul de Fizică al Academiei Cehe de Științe au investigat posibilitățile de auto-asamblare a mașinilor moleculare bazate pe soluții. perfecționat de evoluția naturală și folosind sinergia cu fabricarea actuală a cipurilor.

Există o limită a miniaturizării cipurilor actuale de computer pe bază de siliciu. Electronica moleculară, folosind comutatoare și memorii de dimensiunea unei molecule, ar putea oferi o revoluție în dimensiunea, viteza și capacitățile computerelor, reducând în același timp consumul de energie în creștere, dar producția lor în masă este o provocare. Nanofabricarea și asamblarea componentelor la scară largă, cu defecte reduse, sunt evazive. Inspirația luată din natura vie ar putea schimba acest status quo.

Mici prototipuri de circuite moleculare compuse dintr-un cuplu de molecule sunt în prezent produse prin microscopia cu sondă de scanare, care le manipulează câte o moleculă într-un mod lent, Consolă macroscopică grea.

Prokop Hapala, care a condus studiul publicat în ACS Nano, îl aseamănă cu construirea unui mozaic delicat folosind o macara uriașă, câte o țiglă pe rând. Auto-asamblarea ar putea rezolva această problemă, dar creează alte provocări. De exemplu, cum producem o varietate de structuri când doar o cantitate mică de informații structurale poate fi codificată în interacțiuni între câteva grupuri funcționale?

Cercetătorii de la Institutul de Fizică al Academiei Cehe de Științe au luat inspirație din natură, unde componentele funcționale și structurale sunt decuplate în șabloane polimerice precum ADN sau ARN. Acolo, zahărul-fosfații reprezintă schela, iar nucleobazele, legate prin legături de hidrogen, asigură stocarea informațiilor.

Datorită acestor legături, acești polimeri informaționali se pot autoasambla în forme complexe și pot conduce la auto-replicare sau sinteza altor molecule mai mici. Această abordare a fost deja utilizată în „ADN origami”, care poate produce molecule complexe cu formele și funcțiile dorite. Dar cum putem extinde procesul și obținem o varietate mai mare?

„Perechile de baze ADN cunoscute – despre care cineva poate crede naiv că ar fi cea mai bună alegere – nu pot fi folosite așa cum sunt”, explică Paolo Nicolini, unul a autorilor. „Ele funcționează grozav în celulă, dar acest lucru se datorează mediului și restului mașinilor celulare. În condiții compatibile cu nanofabricarea, pur și simplu nu sunt suficient de selectivi.”

Mithun Manikandan, Paolo Nicolini, și Prokop Hapala a decis să combine posibilitățile oferite de origami ADN și fotolitografie pentru a așeza structuri complexe ale cipurilor contemporane. Acest lucru ar putea deschide calea pentru producția în masă a circuitelor moleculare revoluționare integrate cu tehnologia contemporană de fabricare a cipurilor - ceva care ar putea permite o tranziție lină de la mașinile informatice actuale la nivelul următor.

Pentru a permite acest lucru, cercetătorii a propus înlocuirea vertebratei zahăr-fosfați cu diacetilenă fotosensibilă. Ei au folosit simulări detaliate pentru a selecta grupuri terminale complementare legate de hidrogen care ar conduce auto-asamblarea pe o rețea în condițiile utilizate în producția de cipuri.

Derivații de diacetilenă au fost utilizați ca coloană vertebrală deoarece pot polimeriza eficient. în aceste condiții, atunci când s-au amorsat prin lumină UV sau injecție de electroni, și unități analoge cu bazele ADN/ARN („literele” codului genetic) au fost investigate in silico ca grupuri terminale care conduc ansamblul componentelor în formele dorite.

Scopul a fost de a găsi perechi complementare, în care două unități se leagă în mod fiabil una de alta și nu de alte unități - această trăsătură, din nou analogă cu modul în care funcționează ADN-ul, ar permite crearea de modele de circuite complexe deterministe. Cercetătorii au descoperit că unitățile care conțin grupări terminale donatoare de hidrogen pur au fost deosebit de potrivite. Au fost găsite șaisprezece unități candidate promițătoare, deschizând calea cercetării experimentale și eventualelor aplicații în industrie.

Rezultatele au implicații interesante pentru calcularea ADN-ului și analogii ADN artificiali. Cele mai fezabile alfabete de patru litere găsite în screening au avut loc într-o regiune foarte îngustă de energii de legare de 15-25 kcal/mol și toate s-au bazat pe un mic subset al grupurilor de sfârșit testate.

Deși doar un un mic subset al posibilului spațiu de litere ar putea fi testat cu mare precizie, ceea ce sugerează că alfabetul ADN nu poate fi doar rezultatul unui „accident înghețat în timp”, ci ar fi putut fi o opțiune stabilă și favorabilă din punct de vedere energetic. Nu au fost găsite alfabete cu șase litere în spațiul testat, dar noi mecanisme de selectivitate și legături necovalente, altele decât legăturile de hidrogen (cum ar fi legăturile cu halogen) ar putea să le permită. Într-o manieră similară, ar putea fi testate posibilitățile analogilor ADN terapeutici și farmaceutici.

Această lucrare va îmbunătăți în continuare disponibilitatea sintetică a moleculelor și va depăși limitările experimentale. În timp ce majoritatea dintre noi probabil că citim acest lucru pe mașini care se bazează pe tranzistori pe bază de siliciu, am putea începe în curând tranziția fără probleme la mașini care folosesc parțial nanoelectronica moleculară. Această lucrare reprezintă încă un pas către un astfel de viitor.

(Fluierul)