Ein Team am Silklab der Tufts University hat Transistoren entwickelt, die Bioseide als Isoliermaterial verwenden und es ihr ermöglichen, wie lebendes Gewebe mit der Umgebung zu interagieren. Diese Hybridtransistoren können eine Vielzahl von Substanzen und Zuständen erkennen und möglicherweise die Gesundheitsüberwachung und -verarbeitung revolutionieren. Durch die Änderung der Ionenzusammensetzung des Seidenisolators können diese Transistoren variable Informationen verarbeiten, ähnlich wie beim analogen Rechnen. Dieser Durchbruch in der Mikroprozessortechnologie könnte zu selbstlernenden Mikroprozessoren und neuen Schnittstellen zwischen Elektronik und Biologie führen.
Transistoren im Mikroprozessormaßstab können biologische Zustände und Umgebungen erkennen und darauf reagieren. Der Mikroprozessorchip Ihres Telefons enthält wahrscheinlich mehr als 15 Milliarden winzige Transistoren. Transistoren bestehen aus Metallen wie Silizium, Gold und Kupfer sowie Isolatoren, die zusammenarbeiten, um elektrischen Strom zu empfangen und ihn in Einsen und Nullen umzuwandeln, um Informationen weiterzugeben und zu speichern. Transistormaterialien sind anorganische Materialien, die im Wesentlichen aus Gesteinen und Metallen gewonnen werden.
Aber was wäre, wenn diese grundlegenden elektronischen Komponenten teilweise biologisch hergestellt werden könnten und in der Lage wären, direkt auf ihre Umgebung zu reagieren und sich wie lebendes Gewebe zu verändern? Ein Team am Silklab der Tufts University hat genau das getan und Transistoren aus biologischer Seide anstelle von Isoliermaterialien hergestellt. Sie berichteten kürzlich über ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Advanced Materials.
Seidenzellulose – Die Strukturproteine der Seidenfasern können präzise auf Oberflächen abgeschieden und leicht mit anderen chemischen und biologischen Molekülen modifiziert werden, um ihre Eigenschaften zu verändern. Auf diese Weise funktionalisierte Seide kann eine Vielzahl von Bestandteilen aus dem menschlichen Körper oder der Umwelt aufnehmen und nachweisen.
Fortschritte bei Geräten zur Gesundheitsüberwachung
Bei der ersten Demonstration eines Prototyps durch das Team werden Hybridtransistoren verwendet, um einen hochempfindlichen und ultraschnellen Atemsensor zu entwickeln, der Änderungen der Luftfeuchtigkeit erkennen kann. Weitere Verbesserungen der Seidenschicht könnten es Geräten ermöglichen, bestimmte Herz-Kreislauf- und Lungenerkrankungen sowie Schlafapnoe zu erkennen oder den Kohlendioxidgehalt und andere Gase und Moleküle in der Atmung zu erfassen, um diagnostische Informationen bereitzustellen. Wenn sie mit Plasma verwendet werden, können sie Informationen über die Sauerstoffversorgung und den Glukosespiegel, zirkulierende Antikörper und mehr liefern.
Vor der Entwicklung von Hybridtransistoren hat das SilkLab-Labor unter der Leitung von Frank C. Doble, Professor für Ingenieurwesen Fiorenzo Omenetto, Zellulose verwendet, um bioaktive Tinten für Stoffe zu entwickeln, die Veränderungen in der Umwelt oder im Körper erkennen können, um Tätowierungen zu erkennen, die unter der Haut oder auf Zähnen platziert werden können, um Gesundheit und Ernährung zu überwachen, und um Sensoren, die auf jede Oberfläche gedruckt werden können, um Krankheitserreger wie das Coronavirus, das COVID-19 verursacht, zu erkennen.
Ein Transistor ist ein einfacher elektrischer Schalter mit einem Metalldraht innen und einem anderen außen. Zwischen den Drähten befindet sich ein Halbleitermaterial, das so genannt wird, weil es keinen Strom leiten kann, wenn es nicht dazu angeregt wird. Eine weitere Quelle für den Elektroneneintrag, das sogenannte „Gate“, ist durch einen Isolator getrennt. Das Gate ist der „Schlüssel“, der den Transistor ein- und ausschaltet. Wenn eine Schwellenspannung (nennen wir sie „1“) ein elektrisches Feld über einem Isolator erzeugt, löst sie einen Leitungszustand aus, wodurch die Elektronenbewegung im Halbleiter beginnt, durch den Draht zu fließen.
Beim Biohybridtransistor dient die Seidenschicht als Isolator. Wenn sie Wasser aufnimmt, wirkt sie wie ein Gel und trägt die darin enthaltenen Ionen (geladenen Moleküle). Das Gate löst einen leitenden Zustand aus, indem es Ionen im Sericin neu anordnet. Durch die Änderung der Ionenzusammensetzung der Seide ändert sich der Betriebszustand des Transistors, sodass er durch jeden Gate-Wert zwischen 0 und 1 ausgelöst werden kann.
Die Zukunft der Konvergenz von Informatik und Biologie
„Sie können sich vorstellen, Schaltkreise zu schaffen, die Informationen nutzen können, die nicht durch die diskreten binären Ebenen dargestellt werden können, die in der digitalen Datenverarbeitung verwendet werden, sondern variable Informationen wie analoge Datenverarbeitung verarbeiten können, bei denen die Änderungen durch eine Änderung der Zusammensetzung im Seidenisolator verursacht werden“, sagte Omenetto. „Dies eröffnet die Möglichkeit, die Biologie in moderne Mikroprozessoren in die Informatik einzuführen. Der leistungsstärkste bekannte biologische Computer ist natürlich das Gehirn, das Informationen in unterschiedlichem Maße durch chemische und elektrische Signale verarbeitet.“
Die technische Herausforderung bei der Entwicklung hybrider Biotransistoren besteht darin, eine nanoskalige Verarbeitung von Seide mit einer Größe von nur 10 Nanometern oder weniger als 1/10.000 des Durchmessers eines menschlichen Haares zu erreichen. „Nachdem wir dies erreicht haben, können wir jetzt Hybridtransistoren mit demselben Herstellungsprozess wie bei der kommerziellen Chipherstellung herstellen. Das bedeutet, dass wir mit unseren derzeitigen Fähigkeiten eine Milliarde dieser Transistoren herstellen können“, sagte Beom Joon Kim, Postdoktorand an der School of Engineering.
Wenn Milliarden von Transistorknoten ihre Verbindungen durch biologische Prozesse in Seide neu konfigurieren könnten, könnten Mikroprozessoren wie die neuronalen Netze entstehen, die in der künstlichen Intelligenz verwendet werden. „In Zukunft könnten wir uns vorstellen, dass integrierte Schaltkreise sich selbst trainieren könnten, auf Umgebungssignale zu reagieren und Erinnerungen direkt in Transistoren aufzuzeichnen, anstatt sie an einen separaten Speicher zu senden“, sagte Omenetto.
Geräte, die komplexere biologische Zustände erkennen und darauf reagieren, sowie groß angelegte Simulationen und neuromorphes Computing müssen noch entwickelt werden. Omenetto blickt optimistisch auf zukünftige Chancen. Er sagte: „Dies eröffnet neue Ideen an der Schnittstelle zwischen Elektronik und Biologie, und es wird in Zukunft viele wichtige grundlegende Entdeckungen und Anwendungen geben.“