2015年12月美科学家将生物跟CMOS电路合并 制造嗅觉 味觉芯片

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2015年12月美科学家将生物跟CMOS电路合并 制造嗅觉 味觉芯片

哥伦比亚工程学院的研究人员首次组装了带生命系统的分子机械，给集成电路供电。电源来自三磷酸腺苷（ATP）。实验取得了成功。

研究人员用一个包含ATP电源的离子泵的人工脂质二重功能性薄膜集成了一个常见的固态互补金属-氧化物半导体（CMOS）集成电路。该实验为创造包含生物和固态元件的完全崭新的人工系统打开了一扇门。该研究由肯·舍帕德领头，他是哥伦比亚工程学院生物医学工程系的教授。该研究成果已发表在《自然通讯》网络版上。

“把生物电子器件跟CMOS合并在一起，我们将能创造新的系统。分开来做就不可能。”舍帕德说。“能够扩展能动元件的更多应用，这让我们感到非常兴奋。这些元件会有新的功能，比如说从ATP上获得能量，比如，识别特殊的分子。芯片可能还能有嗅觉和味觉呢。对我们来说，这真的是一个新的研究方向。使用生物元件，固态系统能有更多新能力。”

舍帕德的实验室在开发嵌入生物系统的工程固态系统方面处于领先地位。CMOS固态电子学能向生命系统复制某种自然功能，例如味觉和嗅觉，以及使用生化能量源。生命系统在脂膜和离子通道及泵的基础上 —— 它们扮演生物晶体管的作用 —— 用它们自己的电子获得了这个功能。研究人员使用离子结构里的中电荷负载能量和信息 —— 离子通道控制着通过细胞膜的离子流量。固态系统，例如在电脑和通讯器件里的，使用电子；他们的电子信号和电源受场效应晶体管的控制。

在生命系统里，能量通过脂膜储存起来，然后通过离子泵的活动激发出来，ATP负责把生成的能量传输到需要它们的细胞里去。为了建设混合系统的原型，由博士生贾瑞德·罗斯曼带领的舍帕德的团队把CMOS集成电路置入一个ATP收获的生物电池里。在ATP面前，系统通过薄膜泵入离子，产生被集成电路收获的电位。

“我们做了这个系统的分子版。长度只有几个微米，看看是否能工作。”舍帕德说。“我们的研究结果为普通电路模型提供了新的洞察视角。通过这些离子泵的活动，我们有能力决定化学能量最大化的条件。我们将继续研究，看看怎么让这个系统按比例变小些。”

其他研究小组也从生命系统里获得了能量，舍帕德和他的团队研究的是如何从分子水平获得能量，隔绝需要的功能，用电子来做连接。“我们不需要整个细胞。”他说，“我们只要攫取细胞成分。为了这个项目，我们隔绝了ATP酶的联系，因为它们是蛋白质，可以从ATP里吸取能量。”

把固态电子的电能和生物元件的能力结合在一起营建一个系统的能力具有伟大的前途。“你本来可能需要一只嗅探炸弹的狗，可是现在你只需要狗的一部分就行了 —— 分子们就在做这种探嗅工作。我们将不需要整个动物。”舍帕德说。

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