В 1965 году соучредитель Intel Гордон Мур сделал прогноз о вычислениях, который подтвердился и по сей день. Закон Мура, как стало известно, предсказывал, что количество транзисторов, которые мы сможем встроить в схему, и, следовательно, эффективную скорость обработки наших компьютеров, будет удваиваться примерно каждые два года. Примечательно, что это правило было точным в течение почти 50 лет, но большинство экспертов сейчас предсказывают, что этот рост замедлится к концу десятилетия.
Однако когда-нибудь радикально новый подход к созданию кремниевых полупроводников может позволить этой скорости сохраниться - и даже ускорить ее. Как подробно описано в исследовании, опубликованном в этом месяце в « Записках Национальной академии наук», группа исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и других местах использовала процесс эволюции для получения ферментов, которые создают новые полупроводниковые структуры.
«Это как естественный отбор, но здесь это искусственный отбор», - сказал в интервью Дэниел Морс, почетный профессор UCSB и соавтор исследования. Взяв фермент, обнаруженный в морских губках, и мутировав его во многие различные формы, «мы выбрали один из миллиона мутантных ДНК, способных сделать полупроводник».
В более раннем исследовании Морс и другие члены исследовательской группы обнаружили силикатин - природный фермент, используемый морскими губками для создания своих скелетов из кремнезема. Минерал, как это бывает, также служит строительным блоком полупроводниковых компьютерных чипов. «Затем мы задали вопрос - можем ли мы генетически сконструировать структуру фермента, чтобы сделать возможным производство других минералов и полупроводников, которые обычно не производятся живыми организмами?», - сказал Морс.
Чтобы сделать это возможным, исследователи изолировали и сделали много копий той части ДНК губки, которая кодирует силикатин, а затем преднамеренно ввели миллионы различных мутаций в ДНК. Случайно, некоторые из них, вероятно, приведут к мутантным формам силикатеина, которые будут производить разные полупроводники, а не кремнезем, - процесс, который отражает естественный отбор, хотя и в гораздо более коротком временном масштабе, и направлен на выбор человека, а не на выживание наиболее приспособленного,
Оригинальный фермент был взят из морских губок, которые используют его для изготовления своих кремнеземных скелетов. (Фото через Wikimedia Commons / Ханнес Гроб) Чтобы выяснить, какие мутированные формы силикатиновой ДНК приведут к желаемым полупроводникам, ДНК необходимо экспрессировать с помощью молекулярного механизма клетки. «Проблема заключалась в том, что, хотя кремнезем относительно безвреден для живых клеток, некоторые из полупроводников, которые мы хотим производить, были бы токсичными», - сказал Морс. «Поэтому мы не могли использовать живые клетки - нам пришлось использовать синтетический суррогат для клеток». В качестве искусственной замены клеток команда использовала крошечные пузырьки воды, образовавшиеся вокруг пластиковых шариков. Различная форма ДНК морской губки была присоединена к каждому из миллионов шариков, и химические вещества, необходимые для экспрессии ДНК в виде фермента, были включены в воду.
Затем «клетки» пластикового шарика были заключены в масло, которое действовало как искусственная клеточная мембрана. Затем шарики помещали в раствор, который включал химические вещества (кремний и титан), необходимые для мутантных ферментов, чтобы начать создавать полупроводниковые минералы снаружи шариков.
После того, как ферментам понадобилось некоторое время для выполнения работы по получению минералов, шарики пропускали через лазерный луч рядом с датчиком, который автоматически обнаруживал, когда проходил какой-либо из желаемых полупроводников (диоксид кремния или диоксид титана). Впоследствии успешные шарики - те, у которых эти полупроводники накапливались снаружи - были взломаны, чтобы мутантная ДНК могла быть изолирована, и ее эффект мог быть подтвержден.
Различные формы диоксида кремния в настоящее время используются в производстве компьютерных чипов, в то время как диоксид титана используется в производстве солнечных элементов. Производство таких веществ с использованием биологических ферментов и направленной эволюции является первым.
Хотя это, конечно, не означает, что у исследователей были клетки, накачивающие компьютерные чипы, это указывает на новый метод создания полупроводников. Полупроводники, полученные мутантными ферментами в эксперименте, сказал Морс, «никогда ранее не производились в природе и никогда ранее не производились ферментом, но в настоящее время они используются в промышленности для всех видов связи и обработки информации. Через несколько лет новые и специализированные формы полупроводников, изготовленные с использованием этого метода, могут даже сыграть роль в обеспечении того, чтобы предсказание Гордона Мура оставалось верным.
