Nel 1965, il co-fondatore di Intel Gordon Moore fece una previsione sull'informatica che è rimasta fedele fino ai nostri giorni. La legge di Moore, come si è saputo, prevedeva che il numero di transistor che saremmo stati in grado di stipare su un circuito - e, quindi, l'effettiva velocità di elaborazione dei nostri computer - sarebbe raddoppiata circa ogni due anni. Abbastanza sorprendentemente, questa regola è stata accurata per quasi 50 anni, ma la maggior parte degli esperti ora prevede che questa crescita rallenterà entro la fine del decennio.
Un giorno, tuttavia, un nuovo approccio radicale alla creazione di semiconduttori al silicio potrebbe consentire a questo tasso di continuare e potrebbe persino accelerarlo. Come dettagliato in uno studio pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences di questo mese, un team di ricercatori dell'Università della California a Santa Barbara e altrove hanno sfruttato il processo di evoluzione per produrre enzimi che creano nuove strutture a semiconduttore.
"È come una selezione naturale, ma qui è una selezione artificiale", ha dichiarato in un'intervista Daniel Morse, professore emerito all'UCSB e coautore dello studio. Dopo aver preso un enzima trovato nelle spugne marine e averlo mutato in molte forme diverse, "abbiamo selezionato quello su un milione di DNA mutanti in grado di produrre un semiconduttore".
In uno studio precedente, Morse e altri membri del gruppo di ricerca avevano scoperto la silicateina, un enzima naturale usato dalle spugne marine per costruire i loro scheletri di silice. Il minerale, come accade, funge anche da blocco di chip per computer a semiconduttore. "Abbiamo quindi posto la domanda: potremmo ingegnerizzare geneticamente la struttura dell'enzima per rendere possibile la produzione di altri minerali e semiconduttori non normalmente prodotti da organismi viventi?", Ha detto Morse.
Per renderlo possibile, i ricercatori hanno isolato e fatto molte copie della parte del DNA della spugna che codifica per la silicateina, quindi hanno intenzionalmente introdotto milioni di diverse mutazioni nel DNA. Per caso, alcuni di questi porterebbero probabilmente a forme mutanti di silicateina che produrrebbe semiconduttori diversi, piuttosto che silice - un processo che rispecchia la selezione naturale, sebbene su una scala temporale molto più breve, e diretto dalla scelta umana piuttosto che dalla sopravvivenza del più adatto .
L'enzima originale è stato preso da spugne marine, che lo usano per creare i loro scheletri di silice. (Foto via Wikimedia Commons / Hannes Grobe) Per capire quali forme mutate del DNA di silicateina porterebbero ai semiconduttori desiderati, il DNA doveva essere espresso attraverso il meccanismo molecolare di una cellula. "Il problema era che, sebbene la silice sia relativamente innocua per le cellule viventi, alcuni dei semiconduttori che vogliamo produrre sarebbero tossici", ha detto Morse. "Quindi non potevamo usare le cellule viventi: dovevamo usare un surrogato sintetico per le cellule". Come sostituto artificiale delle cellule, il team ha usato minuscole bolle d'acqua formate attorno a perle di plastica. Una diversa forma di DNA di spugna marina è stata attaccata a ciascuno dei milioni di microsfere e le sostanze chimiche necessarie per esprimere il DNA come un enzima sono state incluse nell'acqua.
Successivamente, le "cellule" di perle di plastica sono state racchiuse in olio, che fungeva da membrana cellulare artificiale. Le perle sono state quindi inserite in una soluzione che includeva le sostanze chimiche (silicio e titanio) necessarie agli enzimi mutanti per iniziare a costruire minerali a semiconduttore all'esterno delle perle.
Dopo aver concesso un po 'di tempo agli enzimi per svolgere il lavoro di produzione dei minerali, le perle sono state fatte passare attraverso un raggio laser, accanto a un sensore che ha rilevato automaticamente quando uno dei semiconduttori desiderati (biossido di silicio o biossido di titanio) è passato. Successivamente, le perle di successo - quelle che avevano accumulato questi semiconduttori all'esterno - furono aperte in modo da poter isolare il DNA mutante e confermarne l'effetto.
Varie forme di biossido di silicio sono attualmente utilizzate nella produzione di chip per computer, mentre il biossido di titanio viene utilizzato nella produzione di celle solari. La produzione di sostanze come queste utilizzando enzimi biologici ed evoluzione diretta è la prima.
Sebbene ciò non significhi certamente che i ricercatori avessero pompato cellule che pompano chip per computer, indica un nuovo metodo per creare semiconduttori. I semiconduttori realizzati dagli enzimi mutanti nell'esperimento, ha affermato Morse, “non sono mai stati prodotti in natura prima d'ora e non sono mai stati prodotti da un enzima, ma sono attualmente utilizzati nell'industria per tutti i tipi di comunicazioni e elaborazione delle informazioni. "Alcuni anni dopo, nuove e specializzate forme di semiconduttori prodotte utilizzando questo metodo potrebbero persino svolgere un ruolo nel garantire che la previsione di Gordon Moore rimanga vera.
