巧用生物能：哥大科学家发明首个ATP驱动集成电路设计

前不久，X-MOL报道了一种将电子电路结合到玫瑰花中的技术，这种把人类科技融入自然的成果让人叹为观止（点击此处查看：化学家的脑洞能开多大？看这朵内含有机电路的玫瑰）。最近还有另一个生动的例子，让我们见识了把自然融入科技的魅力。

我们知道，在生物体细胞中为其功能和活动提供必要能量的主要直接载体是三磷酸腺苷（ATP），其它储能化合物如脂肪、糖类等都要先转化为ATP这种生命的能量货币才能被细胞利用，来驱动各种细胞生物功能。这与人类长期以来设计和使用的电子电路完全是不一样的能量途径。那么，能不能将这种生物中的天然能量方式用来驱动电子器件呢？

答案是肯定的。最近，美国哥伦比亚大学的工程研究人员，第一次将驱动生命系统的ATP分子与集成电路相结合，为其提供所需的电能。他们通过将传统的固态互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路与含有ATP驱动的离子泵的人造脂质双层膜巧妙结合来实现了这一点，从而为创建包含生物和固态元件的全新人工系统开辟了新的道路。该研究由哥伦比亚大学工程学院的电气工程和生物医学工程教授Ken Shepard领导，其成果发表在最新的《Nature Communications》上。

“通过把生物电子设备与CMOS相结合，我们将能够创造新的系统，来取得其中任何一种技术都不可能单独完成的功能，”Shepard说。 “我们为扩大这些电子器件功能的前景感到非常兴奋，比如像这个项目中收集利用ATP的能量，或识别特定的分子以使芯片具有味觉和嗅觉的潜力。这对我们来说是一个相当独特的新方向，它具有很大的潜力，能够利用生物模块为固态电子系统提供更多新的功能“。

Shepard的实验室是将生物系统设计与固态系统开发结合方面的领先者。他注意到，尽管CMOS固态电子系统取得了巨大成功，但是它无法复制自然生命系统中的某些功能，如味觉和气味感觉，以及使用生化能源。生命系统通过其自身的基于脂肪膜和离子通道和离子泵的“电路”来实现这些功能，这种“电路”可以比喻成一种“生物晶体管”。它们使用带电离子的形式来传递能量和信息，其中离子通道用来控制跨细胞膜的离子流动。计算机和通信设备中的固态系统，却是使用电子来传递能量与信号，其电子信号和功率是由场效应晶体管控制。

在生命系统中，能量通过跨脂质膜的电位来存储，而这是由离子泵的作用而产生的。 ATP用于将能量从细胞中产生的位置输送到需要消耗能量的地方。为了制作生物能/固态电子的混合系统的原型，Shepard实验室团队中由博士生Jared Roseman为首研究人员将一种使用ATP的“生物电池”封装到CMOS集成电路中。当加入ATP后，离子泵可以将离子转运穿过膜，从而产生电势差以被集成电路利用作为能量来源。

“我们为这个系统做了一个尺度为几个毫米的宏观版本，看看它是否工作，”Shepard说。 “我们的研究结果提供了新的广义电路模型的思路，使我们能够确定在什么条件下可以最大限度地利用这些离子泵的作用来提高化学能的效率。现在我们在考虑如何使系统更加小型化。”

尽管有其他研究团队也已经可以从生命系统中采集能量，但Shepard和他的团队却可以在分子水平上做到这一点，只需要把所需功能和电子电路连接起来。 “我们并不需要整个细胞，”他解释说。 “我们只是取出我们需要的组成部分。对于这个项目，我们只是分离出ATP酶，因为这种蛋白质使我们能够从ATP获取能量。”

这种将固态电子设备与生物成分的功能结合起来构建的系统有很大的潜力。“比如你需要一个嗅弹犬，但如果你可以只是把狗的体内有用的一部分，即那些产生嗅觉的分子拿来使用，那我们就不需要整个动物了，”Shepard说。

“通过适当的尺度缩放，这个技术可以为植入系统提供一个电源，使其在ATP丰富的环境中工作，比如在活细胞内，”Roseman补充说。

http://www.nature.com/ncomms/2015/151207/ncomms10070/full/ncomms10070.html