Ученые превратили ДНК в устройство памяти, которое потребляет в 100 раз меньше энергии

Фото из открытых источников

ДНК служит генетическим узором для каждого живого организма, но также чрезвычайно плотным способом хранения информации. Один грамм может вместить около 215 миллионов гигабайт данных. Внедрение этой выдающейся ёмкости хранения в электронике может привести к более эффективным дата-центрам, более быстрой обработке и системам, способным обрабатывать всё более сложную информацию.

Задача заключалась в том, чтобы обеспечить эффективное функционирование биологической ДНК наряду с электронными материалами. Исследователи из Пенсильванского университета теперь разработали подход, направленный на преодоление этой несовместимости.

Работа, опубликованная в журнале Advanced Functional Materials и являющаяся предметом патентной заявки, опирается на два ключевых компонента. Одна из них — синтетическая ДНК, изготовленная из коммерчески доступных, химически инженерных молекул, расположенных в короткие генетические последовательности, адаптированные под специфические электронные нужды. Второй — кристаллический перовскит, полупроводник, уже используемый в технологиях, включая солнечные элементы, лазеры и устройства хранения данных.

«Биология и электроника — это разные области», — сказала Кавья С. Кереман, соавтор и постдокторант по материаловедению и инженерии в Пенсильванском университете. «Объединение этих двух областей потребовало разработки совершенно новой платформы материалов, которая позволит им бесшовно работать вместе. Объединив возможности хранения информации ДНК с исключительными электронными свойствами перовскитных полупроводников, мы создали биогибридную систему, которая фундаментально меняет способы проектирования устройств с низким энергопотреблением памяти.»

Создание устройства памяти с низким энергопотреблением

Используя эти материалы, команда создала резистор памяти, известный как «мемристор», который работает с очень низкой энергией. В отличие от обычных резисторов, которые сохраняют фиксированное сопротивление электрическому току в устройствах от мобильных телефонов до космических шаттлов и теряют сохранённую информацию при отключении питания, мемристоры могут сохранять запись предыдущей электрической активности. Они могут запоминать направление, в котором прошёл ток, даже после отключения источника питания.

Эта способность позволяет хранить и обрабатывать информацию в одном месте, напоминая функционирование нейронов в мозге. Такая схема могла бы поддерживать более одновременные и сложные формы обработки данных. Однако, по мнению исследователей, практические коммерческие системы всё равно требовали бы достаточной ёмкости хранения и электроэнергии, чтобы стать дорогими и неэффективными без способности ДНК уместить огромные объёмы информации в очень маленьком пространстве, потребляя мало энергии.

«По мере роста спроса на искусственный интеллект (ИИ) нам нужна новая стратегия для устройств с низким энергопотреблением и высоким объемом памяти», — сказал Бед Паудел, соавтор и профессор материаловедения и инженерии в Пенсильванском университете.

Паудель отметил, что ИИ и другие новые технологии, как ожидается, будут всё больше зависеть от нейроморфных вычислений, которые предназначены работать ближе к человеческому мозгу. Такие системы могут одновременно оценивать несколько входных данных, принимая решения, опираясь на предыдущий опыт и будущие приоритеты.

«Обычно для хранения информации требуется больше сил. Однако наше устройство потребляет в 100 раз меньше энергии, а ёмкость хранения выше, чем у традиционных устройств, таких как флешки.»

Инженерия ДНК для проведения электричества

Для создания устройства исследователи добавили серебряные наночастицы в слой индивидуальных последовательностей ДНК — специально разработанных с определённым составом и длиной — которые были интегрированы тонкими пленками перовскита.

Эта техника, называемая «легированием», предполагает введение небольшого количества другого материала для получения определённых свойств. В данном случае добавление серебряных наночастиц позволило ДНК проводить электричество, а также помогало её молекулярным единицам выстраиваться в более упорядоченный строй.

Синтетическая ДНК имела ещё одно важное преимущество перед естественной. В отличие от естественной ДНК — длинных, запутанных цепей, которые при работе ведут себя как мокрые спагетти — короткие и жёсткие участки синтетической ДНК можно расположить с гораздо большей точностью на крайне малых масштабах.

По словам соавтора Нилы Х. Йеннавар, профессора-исследователя и директора Центра биомолекулярных взаимодействий Института наук о жизни Пенсильванского государственного университета Хака, молекулярно спроектированная ДНК способна обеспечивать структурную организацию, регулируемую электрическую проводимость и функциональный контроль, чего естественная ДНК не может достичь при включении в тонкие пленки.

«Мы можем вычислительно определить, какие последовательности нам нужны и какой длины они должны быть, а затем рационально спроектировать их с использованием синтетической ДНК», — сказал Йеннавар. «Эти структуры можно систематически легировать серебром и другими ионами и сконструировать так, чтобы они бесшовно взаимодействовали с перовскитами — превращая ДНК из биологической макромолекулы в программируемую, многофункциональную платформу наноматериалов.»

ДНК и перовскит работают лучше вместе

В сочетании серебро-легированная ДНК и перовскит образуют биогибридные пути, которые направляли течение электрического тока через устройство. Исследователи обнаружили, что электроны надёжно двигаются при подаче напряжения менее 0,1 вольта — для сравнения, стандартные американские розетки имеют 120 вольт — и устройство реагировало предсказуемо при изменении направления тока.

Тщательно спроектированные структуры ДНК в сочетании с перовскитом также помогли сделать устройство необычно устойчивым. По данным команды, он продолжал стабильно работать при температурах около 250 градусов по Фаренгейту и оставался работоспособным при комнатной температуре более шести недель, значительно превышая стандарты производительности существующих устройств памяти на основе перовскитов.

Исследователи также сообщили, что новая система может выполнять ту же функцию памяти, что и аналогичные технологии, при этом потребляя всего одну десятую меньше энергии. Такой уровень эффективности может сделать подход особенно привлекательным для будущей электроники, рассчитанной на обработку больших объёмов информации с меньшими энергопотреблениями.

«Использование только ДНК или только перовскита не дало такого устойчивого результата, как комбинация», — сказал Керемане. «Именно эта комбинация обеспечивает очень высокую плотность памяти, требующую очень мало энергии.»

Теперь команда планирует дальнейшее совершенствование технологии и изучить дополнительные возможности применения био-вдохновлённых электронных систем.

«У природы есть решение — нам просто нужно его найти и применить», — сказал Паудель. «Эта работа по интеграции ДНК в электронику для удивительных вещей даёт представление о возможном.»