O DNA serve como modelo genético para todos os organismos vivos, mas também é uma forma excepcionalmente densa de armazenar informações. Cerca de 215 milhões de gigabytes de dados podem ser armazenados em um grama. Trazer essa notável capacidade de armazenamento para a electrónica poderia levar a centros de dados mais eficientes, processamento mais rápido e sistemas capazes de lidar com informações cada vez mais complexas.
O desafio é encontrar uma forma de fazer com que o ADN biológico funcione eficazmente juntamente com os materiais eletrónicos. Os pesquisadores da Penn State desenvolveram agora uma abordagem para resolver essa inconsistência.
obra, publicada em materiais funcionais avançados E o objeto do pedido de patente depende de dois componentes principais. Um deles é o DNA sintético, feito a partir de moléculas quimicamente projetadas disponíveis comercialmente, organizadas em curtas sequências genéticas adaptadas a requisitos eletrônicos específicos. A segunda é a perovskita cristalina, um semicondutor já utilizado em tecnologias que incluem células solares, lasers e dispositivos de armazenamento de dados.
Co-autor correspondente e pesquisador de pós-doutorado em ciência e engenharia de materiais na Penn State, Kavya S. “Biologia e eletrônica são domínios diferentes”, disse Keremane. “Unir esses dois campos exigiu o desenvolvimento de uma plataforma de materiais inteiramente nova que lhes permitisse funcionar perfeitamente juntos. Ao combinar as capacidades de armazenamento de informações do DNA com as extraordinárias propriedades eletrônicas dos semicondutores de perovskita, criamos um sistema bio-híbrido que muda fundamentalmente a forma como os dispositivos de memória de baixo consumo são projetados. “
Fabricação de dispositivos de memória de baixo consumo
Utilizando esses materiais, a equipe criou um resistor de memória, conhecido como “memristor”, que opera com pouquíssima energia. Ao contrário dos resistores comuns, que mantêm uma resistência definida ao fluxo elétrico em dispositivos que vão desde telefones celulares a ônibus espaciais e perdem as informações armazenadas quando a energia desaparece, os memristores podem preservar um registro da atividade elétrica passada. Eles podem lembrar a direção em que a corrente fluiu anteriormente, mesmo depois de a fonte de energia ser removida.
Essa capacidade permite que as informações sejam armazenadas e processadas no mesmo local, semelhante ao funcionamento dos neurônios no cérebro. Tais acordos podem apoiar formas mais simultâneas e sofisticadas de processamento de dados. De acordo com os investigadores, no entanto, os sistemas comerciais práticos ainda exigiriam uma capacidade de armazenamento substancial e energia eléctrica, o que se tornaria caro e ineficiente sem a capacidade do DNA de empacotar enormes quantidades de informação num espaço muito pequeno, consumindo menos energia.
“À medida que a demanda por inteligência artificial (IA) cresce, precisamos de uma nova estratégia para dispositivos de baixo consumo de energia e alto armazenamento”, disse Bede Paudel, co-autor e professor pesquisador de ciência e engenharia de materiais na Penn State.
Paudel disse que se espera que a IA e outras tecnologias emergentes dependam mais fortemente da computação neuromórfica, que é projetada para funcionar como o cérebro humano. Tais sistemas podem avaliar múltiplas entradas simultaneamente ao tomar decisões com base em experiências passadas e preferências futuras.
“Normalmente, armazenar mais informações requer mais energia. No entanto, nosso dispositivo consome 100 vezes menos energia e tem capacidade de armazenamento maior do que os dispositivos de armazenamento tradicionais, como pen drives.”
Engenharia de DNA para conduzir eletricidade
Para construir o dispositivo, os pesquisadores adicionaram nanopartículas de prata a uma camada de sequências de DNA personalizadas – projetadas especificamente para determinadas composições e comprimentos – que foram integradas a filmes finos de perovskita.
Esta técnica, chamada “dopagem”, envolve a adição de pequenas quantidades de outro material para produzir propriedades específicas. Nesse caso, a adição de nanopartículas de prata permitiu que o DNA conduzisse eletricidade, além de ajudar a organizar suas unidades moleculares de forma mais sistemática.
O DNA sintético ofereceu outra vantagem importante sobre o DNA natural. Ao contrário do DNA natural – fios longos e emaranhados que se comportam como espaguete molhado quando manuseados – pedaços curtos e rígidos de DNA sintético podem ser organizados com altíssima precisão em escalas extremamente pequenas.
De acordo com a coautora Neela H. Yennavar, professora pesquisadora e diretora do Biomolecular Interaction Core Facility do Penn State Hauck Institute of the Life Sciences, o DNA de engenharia molecular pode fornecer organização estrutural, condutividade elétrica ajustável e controle funcional que o DNA natural não consegue alcançar quando incorporado em filmes finos.
“Podemos determinar computacionalmente exatamente quais sequências precisamos e quanto tempo elas devem ter, e então podemos projetá-las racionalmente com DNA sintético”, disse Yennavar. “Essas estruturas podem ser sistematicamente dopadas com prata e outros íons e projetadas para interagir perfeitamente com perovskitas – transformando o DNA de uma macromolécula biológica em uma plataforma de nanomateriais multifuncional e programável.”
DNA e perovskita funcionam melhor juntos
Quando combinados, o DNA dopado com prata e a perovskita criaram vias bio-híbridas que direcionaram o fluxo de corrente elétrica através do dispositivo.
Os pesquisadores descobriram que os elétrons operavam de forma confiável quando usavam menos de 0,1 volts – para comparação, as tomadas americanas padrão têm 120 volts – e o dispositivo respondia de forma previsível quando a direção da corrente era alterada.
As estruturas de DNA cuidadosamente projetadas, combinadas com a perovskita, também ajudaram a tornar o dispositivo excepcionalmente estável. De acordo com a equipe, ele operou continuamente em temperaturas de até 250 graus Fahrenheit e permaneceu funcional em temperatura ambiente por mais de seis semanas, excedendo significativamente os padrões de desempenho dos dispositivos de armazenamento de memória baseados em perovskita existentes.
Os pesquisadores também relataram que o novo sistema poderia executar as mesmas funções de memória que tecnologias comparáveis, consumindo apenas um décimo da energia. Esse nível de eficiência poderia tornar a abordagem particularmente atraente para a futura eletrônica projetada para lidar com grandes quantidades de informações com baixas demandas de energia.
“Usar apenas DNA ou apenas perovskita não produziu um resultado tão forte quanto a combinação”, disse Kerremen. “É esta combinação que permite uma densidade de armazenamento de memória muito alta que requer muito pouca energia”.
Uma nova direção para a eletrônica de inspiração biológica
A equipe agora planeja melhorar ainda mais a tecnologia e explorar usos adicionais para os sistemas eletrônicos de inspiração biológica.
“A natureza tem a solução – só precisamos encontrá-la e aplicá-la”, disse Paudel. “Este trabalho de integração do DNA na eletrônica para fazer coisas incríveis dá uma ideia do que é possível.”
Além de Keremane, Yennavar e Poudel, outros co-autores da Penn State incluem o co-autor Luyao Zheng, pesquisa de pós-doutorado em ciência e engenharia de materiais; Haodong Wu, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais; Jiamao Zheng, que era estudante de mestrado em ciência e engenharia de materiais na época da pesquisa e desde então se formou na Penn State; Shashank Priya, professor de ciência e engenharia de materiais na época da pesquisa; e Chirant C. Ravi, que era aluno de mestrado no Instituto Haq de Ciências da Vida na época da pesquisa e desde então se formou na Penn State. Abhinav Gorathi e o co-autor Rashmi Jha, engenharia química e ciência de materiais da Universidade de Minnesota, também contribuíram.
A Fundação Nacional de Ciência dos EUA, os Institutos Nacionais de Saúde, a Penn State e a Universidade de Minnesota apoiaram esta pesquisa.
