Những vi sinh vật xây mạch tích hợp. docx

Với virút đóng vai đội quân xây dựng theo thiết kế của "kiến trúc sư" ADN, công nghệ sinh học có thể là chìa khoá mở đường tới công nghệ "hậu quang khắc" trong chế tạo các mạch IC.. Th

Những vi sinh vật xây mạch tích hợp

Với virút đóng vai đội quân xây dựng theo thiết kế của "kiến trúc sư" ADN, công nghệ sinh học có thể là chìa khoá mở đường tới

công nghệ "hậu quang khắc"

trong chế tạo các mạch IC Tạp chí HĐKH xin giới thiệu những

nét chính bài viết của Peter

Fairley đăng trên tạp chí IEEE SPECTRUM, số tháng 11.2003

Tháng 7.2003, trước một nhóm

đông các nhà sinh vật học tại thành phố New York, Angela Belcher,

nhà khoa học vật liệu người Mỹ nói rằng trong vòng 6 tháng nữa phòng thí nghiệm của bà ở Viện Công

nghệ Massachusetts (MIT -

Cambridge) bằng công nghệ gen sẽ

có trong tay một virút khoác áo làm bằng chất bán dẫn tinh thể, biết

định vị và nối liền hai điện cực

Như vậy, đây chính là phần cốt yếu của một transito hiệu ứng trường, loại chi tiết dùng để chế tạo phần

lớn các chíp máy tính Thành công này là một chứng minh hùng hồn

về vai trò thúc đẩy tiến bộ công

nghệ của sinh học đối với công

nghệ nano trong tương lai: Sản xuất các mạch và thiết bị có kích thước

đo bằng phần tỉ mét

Tự lắp ráp sinh học, một khả năng

kỳ diệu của tạo hóa, tạo ra được các cấu trúc phân tử phức tạp nhất mà khoa học đã từng biết tới Lợi dụng

sự chọn lọc tự nhiên qua nhiều niên đại, những tổ chức sắp xếp ba chiều này của các nguyên tử tỏ ra rất

chính xác, tin cậy, cực kỳ tỉ mỉ,

vượt xa khả năng công nghệ đương đại Dưới sự điều khiển của các gen

được mã hoá trong ADN, tế bào tạo

ra các prôtein làm nên các kết cấu tinh tế cần cho sự sống Và giờ đây các nhà khoa học đã có thể làm

thay đổi mã di truyền của các vi

sinh vật theo phương châm tăng

cường tính đơn giản và độ chính

xác Nhiều nghiên cứu tiếp đó chỉ

ra rằng, cơ chế tương tự này có thể giúp ta thực hiện công đoạn xây

dựng và lắp ráp các vật liệu, kết cấu đặc biệt trong các thế hệ tương lai của ngành điện tử

Các "con" virút nói trên thực hiện năng lực kiến tạo mạch của nó từ

áo của các prôtein tương tác ở mức phân tử với một vật liệu mà nó cần

mang vào, chẳng hạn như vẩy/hạt của một chất bán dẫn Trong các dự

án đang tiến hành, các nhà khoa

học sử dụng các prôtein và ADN để kiến tạo ra các tinh thể của chất bán dẫn theo phương thức lắp ráp từng nguyên tử một, gắn với các kim

loại quý, biết phân biệt hạt nano

này với các hạt nano khác trên cơ

sở những dị biệt về tính chất điện học của chúng, đồng thời đạo diễn

cả sự bố trí, xắp đặt của các chi tiết nano

Xem ra bằng những nỗ lực ngày

càng gia tăng, các chuyên gia đã

thuyết phục để các nhà đầu tư tin rằng, mạch tự lắp ráp bằng con

đường sinh học sẽ ra đời và có thể tồn tại được trong cơ chế thị

trường Đơn cử, quân đội Mỹ - một trong những nhà tài trợ đầu tiên ở lĩnh vực nghiên cứu này - quyết

định, trong vòng 8 tháng họ sẽ xây dựng xong Viện Hợp tác các Công nghệ sinh học, một trung tâm

nghiên cứu trị giá 50 triệu USD

gồm các thành viên là Đại học

California ở Santa Barbara, Học

viện Công nghệ Massachusetts và Viện Công nghệ California để đẩy nhanh công việc nghiên cứu Họ

thấy được vai trò của công nghệ lắp ráp này trong việc chế tạo xenxo, các thiết bị hiển thị và lưu giữ từ

cũng như trong sản xuất năng

lượng và trong xử lý thông tin Hầu hết các nhà khoa học cho rằng công nghệ này đầu tiên sẽ được sử dụng vào việc tạo ra các xenxo gồm một vài thiết bị kết nối với mạch silic

thông thường Nhưng đấy không

phải là đích cuối cùng Nhằm tạo ra bước ngoặt có tính cách mạng, họ làm công nghệ gen trên các vi sinh vật để chúng xây nên các mạch

kích thước nano trên cơ sở các mã

di truyền đã được cấy vào ADN

của chúng Bằng cách này người ta

có thể loại bỏ các mẫu hình cắt gọt thành thể bán dẫn được xử lý ngày càng khó khăn nhờ laze, plasma,

các khí ngoại nhập, nhiệt độ cao

trong môi trường công nghiệp đắt

tiền Thay vì thế, một dịch thể gồm các phân tử sinh học ở nhiệt độ

phòng, theo hiệu lệnh, sẽ thực hiện một "vũ điệu hoá học" đã lập trình gen để rồi kết thúc bằng sản phẩm: Một mạch chức năng có quy mô

kích thước nano

Transito của Angela Belcher sinh

ra từ một virút là kết quả của kỹ

thuật gen Song không có nghĩa là các nhà nghiên cứu đã thiết kế ra con virút cũng như prôtein cho

phép nó làm kết tinh các chất bán dẫn và gắn vào kim loại Thay vì phát kiến ra các cơ chế này, họ giải phóng sức mạnh của tiến hoá Và, các kỹ sư di truyền đang "tiến hoá"

các công cụ công nghệ nano bằng cách lựa chọn các phân tử tốt nhất cho công việc này từ nhiều phương

án thu được trong số các quần thể lớn tiến hoá qua một số thế hệ

Trước đây, sử dụng phép tiến hoá hoàn toàn chỉ có trong quan niệm Mãi đến năm 1997, tiềm năng của

nó lần đầu tiên mới được Stanley Brown, nhà di truyền học tại

Trường Đại học Copenhagen - Đan Mạch, làm rõ Ông đã nhận dạng ra việc các peptit - các prôtein nhỏ

được tạo bởi một chuỗi ngắn các

axit amin - có thể gắn các hạt nano bằng vàng vào nhau thành các khối

có thể thấy được, rất giống cách mà

các fibrin gắn các tế bào máu với nhau Ba năm sau, Belcher phát

kiến một phương pháp nhận dạng nhanh các peptit có khả năng cắm vào một thớ của một số chất bán

dẫn có ý nghĩa Nghiên cứu vai trò của các prôtein ở con sò Cali trong việc điều khiển canxi cacbonat làm

vỏ bọc, bà đã từng nói: "Sò Cali

không có cơ hội phát triển một

quan hệ tương tác với galium

acxênit hoặc inđium phôtphit Vậy nên, vấn đề ở đây phải chăng là ta

có thể giúp chúng có một sự tương tác như cách chính chúng ta phải làm" Sau đó bà nhanh chóng phát hiện ra những peptit cần thiết thông qua việc hợp tác với New England

Biolabs Inc để được cung cấp các virut và thực khuẩn thể (phage) có sẵn trong ngân hàng của họ Loại thực khuẩn thể mà người ta cung cấp cho bà là loại đã được thiết kế

để hiển thị các peptit

Belcher đã sử dụng các con virut của mình nhằm vào các tinh thể

sạch của chất bán dẫn trong một

quá trình được gọi là tiến hoá có điều khiển (directed evolution) Có thể mô tả vắn tắt cơ chế tiến hoá này để có các peptit mong đợi như sau: trước tiên đổ một dung dịch thực khuẩn thể vi sinh

(bacteriophage) lên một mảnh tinh thể chất bán dẫn phù hợp (nền của

chíp định làm) Sau đó, chíp được rửa nhẹ nhàng trong dung dịch hoá chất loãng (axit/bazơ) Tuyệt đại đa

số các virút này bị rửa trôi trở lại, nhưng có một vài con bám chắc

vào mảnh tinh thể Những con này được gỡ khỏi chíp để làm "giống" nhân lên bằng cách cho vi khuẩn

nhiễm virút này rồi đổ trở lại lên

chíp và sau đó lại đưa vào rửa kỹ trong các dung dịch hoá chất kể

trên với nồng độ ngày càng tăng

trong các lần lặp tiếp theo Sau một

số chu kỳ, những con virút còn bám lại được là những con mà áo peptit của chúng có sức bám chặt vào tinh thể chất bán dẫn Qua quá trình một năm, bà đã thực hiện nhiều vòng

tiến hoá có điều khiển để chọn ra những con virút bám được vào các tinh thể galium arsenit và indium phôtphit là hai chất bán dẫn dùng

để chế tạo các chip truyền thông

tần số cao Đáng ngạc nhiên và

dường như không thể tin được: Các peptit dính virút chỉ bám chặt vào một mặt của một tinh thể galium

arsenit mà thực sự bỏ qua các mặt còn lại của tinh thể ấy

Sau đó, bà và các cộng sự đã chỉ ra rằng các con virút nhân tạo đó

không chỉ gắn vào chất bán dẫn mà còn có thể tạo ra chính các tinh thể chất bán dẫn kích thước nano Khi trộn với các tiền chất có chứa các

thành phần cơ bản của chất bán dẫn mong muốn, các peptit đã được xử

lý của virút hoạt động như một

khuôn cối, đẩy các nguyên tử vào một cấu trúc tinh thể tương tự như loại đã mô tả ở trên Kết quả là xuất hiện một thể lai hữu cơ/vô cơ gồm phần tử virút, dài 850 nm và rộng 7

nm, tạo thành một cách bất thường các tinh thể chất bán dẫn có kích

thước từ 2 đến 3 nm tại bất cứ nơi nào có mặt các peptit đã được xử

lý Những tinh thể này, gọi là các chấm lượng tử, là phần tử cơ bản của các mạch kích thước nano

Belcher đã chọn được các virút để tạo ra các chấm lượng tử của các chất bán dẫn kẽm sunphit, catmi sunphit và các vật liệu từ tính

coban - bạch kim, sắt - bạch kim

Đã lắp ráp chúng thành các màng nhiều lớp nhờ lợi dụng đặc tính là các virút xếp hàng sát bên nhau

trong một tinh thể lỏng nếu rút hết nước khỏi dung dịch hoà tan nó

Các màng virút có các chấm từ có thể dùng để chế tạo các lớp hoạt

tính của bộ nhớ flash chấm lượng

tử mật độ cao Nhiều công ty, điển hình là IBM, Fujitsu và Hitachi

luôn sẵn sàng cung cấp các thiết bị như thế cho các nhu cầu nảy sinh Nếu mỗi chấm lượng tử này đại

diện cho một bit của bộ nhớ thì

1cm2 màng virút có thể chứa hơn

30 GB dữ liệu Song, so với các

chấm lượng tử xếp đều, thẳng hàng, các mạch tích hợp đòi hỏi nhiều

hơn, phức tạp hơn Trên thực tế để chế tạo ra các transito, một dạng

mạch đơn giản, công nghệ gen vẫn

tỏ ra có hiệu quả Trong khi thực

hiện tiến hoá có điều khiển, một sự kiện quan trọng đã xảy ra: Phát

hiện ra loại peptit bám được vào

kẽm sunphit hay một số chất bán

dẫn khác Đặc biệt là nhận dạng

được mã di truyền cho việc sản

xuất ra các peptit này Như vậy

người ta đã có thể nối đoạn gen này vào ADN của virút tại nơi cần thiết,

ví dụ tại đoạn tạo ra các prôtein ở thân chứ không phải là ở đuôi hoặc

ở đầu của thực khuẩn thể dùng

trong chế tạo transito hiệu ứng

trường mà ống nano đường kính 10

nm làm chức năng dây dẫn xuất xứ

từ chính thân của nó Tương tự, có thể làm cho các dây dẫn virút này

bám vào các kim loại, như vàng

(được dùng làm điện cực) nhờ xử

lý kỹ thuật các peptit nơi đầu và

đuôi của thực khuẩn thể nói trên

Các sơ đồ tự lắp ráp khác lại bỏ qua các con virút mà sử dụng chính các peptit của chúng Một số nhà

nghiên cứu có lúc còn sử dụng các prôtein nguồn gốc tự nhiên, như

prion gây bệnh bò điên Mehmet

Sarikaya, nhà khoa học vật liệu ở Trường Đại học Washington sử

dụng một kỹ thuật tương tự của

Belcher để tìm ra các peptit bám

vào vàng và các kim loại khác

Theo ông, các peptit này cuối cùng cũng có khả năng sắp đặt lại các

khối kết cấu khác nhau của các

mạch nano vào đúng chỗ của nó

Đây chính là hành vi tự lắp ráp Để

có thể lắp ráp được tất cả cùng một lúc, chúng phải nhận dạng được

nhau ở cấp phân tử Có nghĩa là cần tạo ra một peptit bẫy để thực hiện chức năng đó

Cho đến nay có nhiều cá nhân và tổ chức khoa học tham gia vào hướng nghiên cứu tiến hoá có điều khiển nói trên (xem bảng tổng hợp ở

bên) Mục đích cuối cùng của họ là thông qua công nghệ sinh học thực hiện việc lắp ráp tự động các công

cụ sử dụng cho các thế hệ công

nghệ của kỹ nghệ tương lai, trước

hết của ngành điện tử Trên cơ sở khả năng nhận dạng "đối tác" ở cấp phân tử, tế bào, cấu trúc xoắn kép của ADN và "luật ghép cặp bazơ" (chắp nối các nhánh xoắn đơn bù nhau) tự động lắp ráp cấp độ nano

đã có một số thành công, sản phẩm,

cụ thể như trong kỹ thuật in litô

nano dùng bút mực