Los investigadores de Columbia Engineering, por primera vez, han aprovechado la maquinaria molecular de los sistemas vivos para alimentar un circuito integrado de trifosfato de adenosina ATP, la moneda energética de la vida. Lo lograron integrando un metal complementario convencional de estado sólido.circuito integrado de semiconductores de óxido CMOS con una membrana de bicapa lipídica artificial que contiene bombas de iones alimentadas por ATP, abriendo la puerta a la creación de sistemas artificiales completamente nuevos que contienen componentes tanto biológicos como de estado sólido. El estudio, dirigido por Ken Shepard, Familia LauProfesor de Ingeniería Eléctrica y profesor de ingeniería biomédica en Columbia Engineering, se publica en línea el 7 de diciembre en Comunicaciones de la naturaleza .
"Al combinar un dispositivo electrónico biológico con CMOS, podremos crear nuevos sistemas que no son posibles con ninguna de las tecnologías", dice Shepard. "Estamos entusiasmados ante la perspectiva de expandir la paleta de dispositivos activos que tendrán nuevas funciones, como la recolección de energía del ATP, como se hizo aquí, o el reconocimiento de moléculas específicas, dando a los chips el potencial de saborear y oler. Esta fue una nueva dirección bastante única para nosotros y tiene un gran potencial para dar a los sistemas de estado sólido nuevas capacidades concomponentes biológicos "
Shepard, cuyo laboratorio es líder en el desarrollo de sistemas de ingeniería de estado sólido interconectados con sistemas biológicos, señala que a pesar de su éxito abrumador, la electrónica de estado sólido CMOS es incapaz de replicar ciertas funciones naturales de los sistemas vivos, como los sentidosde sabor y olfato y el uso de fuentes de energía bioquímica. Los sistemas vivos logran esta funcionalidad con su propia versión de electrónica basada en membranas lipídicas y canales iónicos y bombas, que actúan como una especie de 'transistor biológico'. Usan carga en formade iones para transportar energía e información: los canales de iones controlan el flujo de iones a través de las membranas celulares.Los sistemas de estado sólido, como los de las computadoras y los dispositivos de comunicación, usan electrones; su señalización y potencia electrónicas están controladas por transistores de efecto de campo.
En los sistemas vivos, la energía se almacena en potenciales a través de las membranas lipídicas, en este caso creada a través de la acción de las bombas de iones. El ATP se utiliza para transportar energía desde donde se genera hasta donde se consume en la célula. Para construir un prototipode su sistema híbrido, el equipo de Shepard, dirigido por el estudiante de doctorado Jared Roseman, empaquetó un circuito integrado IC CMOS con una 'biocelda' de recolección de ATP. En presencia de ATP, el sistema bombeó iones a través de la membrana, produciendo un potencial eléctricocosechado por el IC.
"Hicimos una versión macroescala de este sistema, a una escala de varios milímetros, para ver si funcionaba", señala Shepard. "Nuestros resultados proporcionan una nueva visión de un modelo de circuito generalizado, lo que nos permite determinar las condiciones para maximizareficiencia de aprovechar la energía química a través de la acción de estas bombas de iones. Ahora veremos cómo reducir el sistema ".
Mientras que otros grupos han cosechado energía de los sistemas vivos, Shepard y su equipo están explorando cómo hacer esto a nivel molecular, aislando solo la función deseada e interactuando con la electrónica. "No necesitamos toda la célula".explica: "Simplemente tomamos el componente de la célula que está haciendo lo que queremos. Para este proyecto, aislamos las ATPasas porque eran las proteínas que nos permitían extraer energía del ATP".
La capacidad de construir un sistema que combine el poder de la electrónica de estado sólido con las capacidades de los componentes biológicos es muy prometedora. "Ahora necesita un perro que olfatee bombas, pero si puede tomar solo la parte del perro que esútil, las moléculas que están haciendo la detección, no necesitaríamos todo el animal ", dice Shepard.
"Con una escala adecuada, esta tecnología podría proporcionar una fuente de energía para los sistemas implantados en entornos ricos en ATP, como el interior de las células vivas", agregó Roseman.
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Materiales proporcionados por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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