НАНОБИОЭЛЕКТРОНИКА – СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

27 ноября 2007 года состоялось очередное заседание Президиума Российской академии наук. Члены Президиума заслушали научное сообщение «Нанобиоэлектроника – состояние и перспективы». Докладчики – академик Мирошников Анатолий Иванович и доктор физико-математических наук Лахно Виктор Дмитриевич (Институт математических проблем биологии РАН). Автор исследования: Преснякова Ирина Васильевна, Москва

Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН

В научном сообщении представлены теоретические и практические подходы к созданию элементной базы бионаноэлектроники – нанопроводов на основе ДНК, электронных датчиков, запоминающих устройств и логических элементов на основе ДНК.

Нанобиоэлектроника является новой быстро развивающейся дисциплиной, интегрирующей достижения наноэлектроники и молекулярной биологии. Ее успех во многом обусловлен развитием нанотехнологий. В основе нанобиоэлектроники лежит использование процессов переноса заряда в биомакромолекулах и созданных на их основе молекулярных структурах нанометрового размера. Объединение наноэлектронных устройств со сложными биологическими структурами, такими как клетка, перебрасывает мостик между нанобиоэлектроникой и биотехнологией.

Такие биоматериалы, как ДНК, РНК, белки, биомембраны и другие имеют размеры, сравнимые с размерами наночастиц, нанотрубок, квантовых точек. Объединение биоматериалов с металлическими или полупроводниковыми частицами, фуллеренами или углеродными нанотрубками порождает новый класс материалов для создания уникальных электронных или оптических систем.

Основные направления нанобиоэлетроники включают создание на основе таких гибридных систем биосенсоров, сложных наноэлектронных схем на основе ДНК, конструирование нанобиотранзисторов, диодов, наномоторов, нанотранспортеров и т.д. Для создания таких устройств необходимо построение их квантовомеханических моделей и проведение суперкомпьютерных расчетов.

В содокладе «Разработка молекулярных нанопроволок на основе ДНК», подготовленном Клиновым Д.В., Дёминым В.В. и Мирошниковым А.И. (Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН) идет речь об одном из самых значимых разделов нанотехнологии. Область нанотехнологии и нанобиотехнологии развивается в последнее время бурными темпами.

Нанотехнологии можно определить как совокупность технологических подходов, позволяющих конструировать объекты нанометровых размеров, изучать их свойства и манипулировать ими. Одним из самых значимых разделов нанотехнологии является наноэлектроника, которая предполагает использование элементов нанометрового диапазона и даже отдельных молекул. Фундаментальной задачей наноэлектроники является создание электронных устройств и проводников молекулярных размеров.

Решение этой задачи позволило бы конструировать сверхбыстрые и сверхкомпактые компьютеры, использующие принципиально новые квантовые алгоритмы. Гигантская активность в этой области связана с попытками использования для наноэлектроники фуллеренов и нанотрубок. Несмотря на уникальные свойства углеродных нанотрубок, их применение в нанотехнологических целях существенно осложнено проблемами управляемого манипулирования ими, использованием в конкретной технологической цепочке, дороговизной и широким разбросом индивидуальных свойств (от диэлектриков до полупроводников и проводников).

Альтернативным кандидатом для использования в качестве молекулярных нанопроволок является молекула ДНК. Как оказалось, помимо важнейшей роли хранилища генетической информации живого организма, молекулы ДНК могут осуществлять транспорт электронов вдоль полимерной цепи и могут проявлять хорошие проводящие свойства. Финк и Шоненберг опубликовали в журнале Nature в 1999 году результаты исследований иллюстрирующие электрическую проводимость жгутов ДНК, состоящих из нескольких молекул.

Однако, воспроизводимость работ по электронному транспорту ДНК, проводимых во многих лабораториях, является недостаточно высокой, что в первую очередь связанно с тем, что при нанесении молекул ДНК из раствора на твердую подложку происходит существенное искажение нативной структуры, присущей этим молекулам в растворе.

В Институте биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук Клиновым Д.В. были разработаны подходы, позволяющие уменьшить влияние подложки на структуру адсорбированных молекул ДНК и сохранить «нативное» состояние молекул ДНК.

Разработанные методы плазмохимической модификации поверхности позволили добиться отличной проводимости молекул ДНК и в сотрудничестве с Институтом Проблем Микроэлектроники и Особочистых материалов РАН (Касумов А.Ю.) и Парижским Университетом, впервые, была показана возможность перехода молекул ДНК в сверхпроводящее состояние.

Институт Проблем Микроэлектроники и Особочистых материалов РАН

Результаты этой работы были опубликованы в журнале Science в 2001 году. Как известно, основной целью молекулярной наноэлектроники является создание молекулярного компьютера с очень высокой плотностью размещения устройств – порядка триллиона на квадратный сантиметр.

Размещение с такой огромной плотностью требует сверхмалого рассеяния мощности на каждом работающем устройстве. Предполагается, что лишь сверхпроводящие устройства могут удовлетворить этим требованиям. Для конструирования молекулярных электронных устройств необходимо научиться «управлять» молекулами, позиционировать их в заданном месте подложки с необходимой ориентацией.

Институт математических проблем биологии РАН

В ИБХ РАН были разработаны методические основы управляемой адсорбции биополимеров. Управляемая адсорбция подразумевает нанесение или позиционирование молекул в нужном месте подложки с необходимой ориентацией. Целью ближайших исследований является разработка наноструктур для исследования проводимости ДНК, разработка методов модификации поверхности наноэлектродов для успешной иммобилизации молекул ДНК, исследование свойств и структуры ДНК при адсорбции на такие поверхности.

Предполагается разработать методическую основу таких исследований, сконструировать наноэлектродную систему, позволяющую интегрировать в неё молекулы ДНК и исследовать их свойства (Группа электронной микроскопии ИБХ РАН, руководитель исследований с. н. с. Клинов Дмитрий Владимирович). Для решения этой задачи планируется также синтезировать ДНК-подобные линейные молекулы, обладающие повышенной механической стойкостью и сопротивляемостью к стрессу, возникающему при нанесении молекул из водного раствора на твердую подложку.

Наиболее перспективными для этого являются длинные триплексы и квадруплексы. Ранее нами было показано, что такие молекулы обладают повышенной по сравнению с ДНК жесткостью и могут быть легко синтезированы ферментативным путем.

http://www.informnauka.ru/…-7_424_r.htm

Дополнительную информацию можно узнать здесь: 954 11 45 или irina@presidium.ras.ru

Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН

http://www.ibch.ru/

Институт Проблем Микроэлектроники и Особочистых материалов РАН

http://www.ipmt-hpm.ac.ru/index.ru.html

Институт математических проблем биологии РАН

http://www.impb.ru/index.php

Да, очень интересное направление исследований. Было бы ещё интереснее «посмотреть» на какое-нибудь практическое (работающее) устройство, пострoенное на этих принципах. А до тех пор всё это представляется некой научной фантастикой, которую, как известно, «на хлеб не намажешь»… Кстати, было бы любопытно узнать, а как с этим обстоит дело «там» (за рубежом). Наверняка, и там ведутся аналогичные исследования. Хотелось бы знать, какие результаты достигнуты тамошними исследователями…