Το 1965, ο συνιδρυτής της Intel, Gordon Moore, προέβη σε μια πρόβλεψη για τον υπολογισμό που ισχύει μέχρι σήμερα. Ο νόμος του Moore, όπως έγινε γνωστός, προέβλεψε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ που θα μπορούσαμε να γεμίσουμε σε ένα κύκλωμα - και επομένως, την αποτελεσματική ταχύτητα επεξεργασίας των υπολογιστών μας - θα διπλασιάστηκε περίπου κάθε δύο χρόνια. Είναι αξιοσημείωτο ότι αυτός ο κανόνας ήταν ακριβής για σχεδόν 50 χρόνια, αλλά οι περισσότεροι ειδικοί προβλέπουν τώρα ότι αυτή η ανάπτυξη θα επιβραδυνθεί μέχρι το τέλος της δεκαετίας.
Κάποτε, όμως, μια ριζοσπαστική νέα προσέγγιση για τη δημιουργία ημιαγωγών πυριτίου θα μπορούσε να επιτρέψει τη συνέχιση αυτού του ρυθμού - και θα μπορούσε ακόμη και να επιταχυνθεί. Όπως αναφέρεται λεπτομερώς σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών αυτού του μήνα, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στη Σάντα Μπάρμπαρα και αλλού έχει αξιοποιήσει τη διαδικασία της εξέλιξης για να παράγει ένζυμα που δημιουργούν νέες δομές ημιαγωγών.
"Είναι σαν τη φυσική επιλογή, αλλά εδώ είναι τεχνητή επιλογή", δήλωσε σε συνέντευξή του ο Daniel Morse, επίμονος καθηγητής στο UCSB και συν-συγγραφέας της μελέτης. Αφού πήρε ένα ένζυμο που βρέθηκε σε θαλάσσια σφουγγάρια και το μεταλλαγμένο σε πολλές διαφορετικές μορφές, "έχουμε επιλέξει το ένα σε ένα εκατομμύριο μεταλλαγμένα DNAs ικανά να κατασκευάσουν ένα ημιαγωγό".
Σε προηγούμενη μελέτη, ο Μόρσε και άλλα μέλη της ερευνητικής ομάδας ανακάλυψαν τη σιλικατίνη - ένα φυσικό ένζυμο που χρησιμοποιείται από θαλάσσια σφουγγάρια για να κατασκευάσει τους σκελετούς του πυριτίου. Το ορυκτό, όπως συμβαίνει, χρησιμεύει επίσης ως δομικό στοιχείο των τσιπ υπολογιστών ημιαγωγών. "Στη συνέχεια, θέσαμε την ερώτηση - θα μπορούσαμε να σχεδιάσουμε γενετικά τη δομή του ενζύμου για να καταστήσουμε δυνατή την παραγωγή άλλων ορυκτών και ημιαγωγών που κανονικά δεν παράγονται από ζωντανούς οργανισμούς;", δήλωσε ο Morse.
Για να καταστεί αυτό εφικτό, οι ερευνητές απομόνωσαν και έκαναν πολλά αντίγραφα του τμήματος του DNA του σπόγγου που κωδικοποιεί για τη σιλικατίνη, έπειτα εισήγαγε σκόπιμα εκατομμύρια διαφορετικές μεταλλάξεις στο DNA. Κατά τύχη, μερικές από αυτές πιθανώς θα οδηγούσαν σε μεταλλαγμένες μορφές πυριτιτεΐνης που θα παράγουν διαφορετικούς ημιαγωγούς αντί για πυριτία - μια διαδικασία που αντικατοπτρίζει τη φυσική επιλογή, αν και σε πολύ μικρότερη χρονική κλίμακα, και κατευθύνεται από την ανθρώπινη επιλογή και όχι από την επιβίωση του ισχυρότερου .
Το αρχικό ένζυμο ελήφθη από θαλάσσια σφουγγάρια, τα οποία το χρησιμοποιούν για να φτιάξουν τους σκελετούς του πυριτίου. (Φωτογραφία μέσω του Wikimedia Commons / Hannes Grobe) Για να καταλάβουμε ποιες μεταλλαγμένες μορφές του πυριτικού DNA θα οδηγούσαν στους επιθυμητούς ημιαγωγούς, το DNA έπρεπε να εκφράζεται μέσω του μοριακού μηχανισμού ενός κυττάρου. "Το πρόβλημα ήταν ότι, αν και η σίλικα είναι σχετικά αβλαβής για τα ζωντανά κύτταρα, ορισμένοι από τους ημιαγωγούς που θέλουμε να παράγουμε θα είναι τοξικοί", δήλωσε ο Morse. "Έτσι δεν μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε ζωντανά κύτταρα - έπρεπε να χρησιμοποιήσουμε ένα συνθετικό υποκατάστατο για κύτταρα". Ως τεχνητή αντικατάσταση των κυττάρων, η ομάδα χρησιμοποίησε μικροσκοπικές φυσαλίδες νερού σχηματισμένες γύρω από τις πλαστικές χάντρες. Μία διαφορετική μορφή του θαλάσσιου DNA σπόγγος συνδέθηκε με καθένα από τα εκατομμύρια των σφαιριδίων και οι χημικές ουσίες που ήταν απαραίτητες για να εκφραστεί το DNA ως ένζυμο περιελήφθησαν στο νερό.
Ακολούθως, τα "κύτταρα" πλαστικού σφαιριδίου εγκλείστηκαν σε έλαιο, το οποίο ενεργούσε ως τεχνητή κυτταρική μεμβράνη. Τα σφαιρίδια τοποθετήθηκαν έπειτα σε μια λύση που περιελάμβανε τις χημικές ουσίες (πυρίτιο και τιτάνιο) που απαιτούνται για τα μεταλλαγμένα ένζυμα για να αρχίσουν να κατασκευάζονται ορυκτά ημιαγωγών στο εξωτερικό των σφαιριδίων.
Αφού έμεινε αρκετός χρόνος για να κάνουν τα ένζυμα την εργασία κατασκευής μεταλλικών στοιχείων, τα σφαιρίδια περνούσαν μέσω μιας δέσμης λέιζερ, δίπλα σε έναν αισθητήρα που ανιχνεύτηκε αυτόματα όταν περάσει ο ένας από τους επιθυμητούς ημιαγωγούς (διοξείδιο του πυριτίου ή διοξείδιο του τιτανίου). Στη συνέχεια, οι επιτυχείς χάντρες-εκείνες που είχαν αυτούς τους ημιαγωγούς συσσωρευτεί στα εξωτερικά τους στοιχεία - σπάστηκαν ανοιχτές έτσι ώστε το μεταλλαγμένο DNA να μπορεί να απομονωθεί και το αποτέλεσμά του να επιβεβαιωθεί.
Διάφορες μορφές διοξειδίου του πυριτίου χρησιμοποιούνται σήμερα στην παραγωγή τσιπ υπολογιστών, ενώ το διοξείδιο του τιτανίου χρησιμοποιείται στην κατασκευή ηλιακών κυψελών. Η παραγωγή ουσιών όπως αυτές που χρησιμοποιούν βιολογικά ένζυμα και κατευθυνόμενη εξέλιξη είναι η πρώτη.
Αν και αυτό ασφαλώς δεν σημαίνει ότι οι ερευνητές είχαν κύτταρα που αντλούν τσιπ υπολογιστών, δείχνει μια νέα μέθοδο δημιουργίας ημιαγωγών. Οι ημιαγωγοί που έγιναν από τα μεταλλαγμένα ένζυμα στο πείραμα, δήλωσε ο Morse, "δεν έχουν παραχθεί ποτέ στη φύση και ποτέ δεν έχουν παραχθεί από ένα ένζυμο, αλλά σήμερα χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία για κάθε είδους επικοινωνία και επεξεργασία πληροφοριών. "Λίγα χρόνια αργότερα, νέες και εξειδικευμένες μορφές ημιαγωγών που παράγονται με τη μέθοδο αυτή θα μπορούσαν να διαδραματίσουν κάποιο ρόλο στην εξασφάλιση της πρόβλεψης του Gordon Moore.
