O DNA serve como modelo genético para todos os seres vivos, mas também é uma forma incrivelmente densa de armazenar informações. Um grama pode conter cerca de 215 milhões de gigabytes de dados. Trazer esta capacidade de armazenamento significativa para a electrónica pode levar a centros de dados mais eficientes, processamento mais rápido e sistemas capazes de lidar com informações mais complexas.
O desafio é encontrar uma forma de fazer com que o ADN biológico funcione eficazmente juntamente com materiais eletrónicos. Os pesquisadores da Penn State desenvolveram agora uma abordagem destinada a superar essa inconsistência.
A obra, publicada em Materiais funcionais avançados E o objeto do pedido de patente depende de dois componentes principais. Um deles é o DNA sintético, feito a partir de moléculas de engenharia química disponíveis comercialmente, organizadas em sequências genéticas curtas projetadas para necessidades eletrônicas específicas. A outra é a perovskita cristalina, um semicondutor anteriormente utilizado em tecnologias que incluem células solares, lasers e dispositivos de armazenamento de dados.
“Biologia e eletrônica são campos diferentes”, disse Kavya S. Keremane, autora principal e pesquisadora de pós-doutorado em ciência e engenharia de materiais na Penn State. A ponte entre estes dois campos exigiu a criação de uma plataforma de materiais inteiramente nova que lhes permitiria trabalhar em conjunto de forma integrada. Ao combinar as capacidades de armazenamento de informações do DNA com as propriedades eletrônicas excepcionais dos semicondutores de perovskita, criamos um sistema bio-híbrido que muda fundamentalmente a forma como os dispositivos de memória de baixo consumo são projetados.
Fazendo um dispositivo de memória de baixo consumo
Usando esses materiais, a equipe criou um resistor de memória chamado memristor, que opera com muito pouca energia. Ao contrário dos resistores convencionais que possuem certa resistência à corrente elétrica em diversos dispositivos, desde telefones celulares até ônibus espaciais, e perdem as informações armazenadas quando a energia é cortada, os memristores podem manter um histórico de atividades elétricas anteriores. Eles podem lembrar a direção em que voou antes, mesmo depois de a fonte de alimentação ter sido removida.
Essa capacidade permite que as informações sejam armazenadas e processadas no mesmo local, de forma semelhante à forma como os neurônios funcionam no cérebro. Tal arranjo pode suportar formas simultâneas e mais complexas de processamento de dados. No entanto, os sistemas comerciais práticos ainda exigiriam capacidade de armazenamento e energia eléctrica suficientes para serem dispendiosos e ineficientes sem a capacidade do DNA de empacotar enormes quantidades de informação num espaço muito pequeno, consumindo pouca energia, disseram os investigadores.
“À medida que a demanda por inteligência artificial (IA) aumenta, precisamos de uma nova estratégia para dispositivos de baixo consumo e alto armazenamento”, disse Bed Poudel, coautor e professor pesquisador de ciência e engenharia de materiais na Penn State.
Espera-se que a inteligência artificial e outras tecnologias emergentes dependam cada vez mais da computação neuromórfica, concebida para funcionar mais como o cérebro humano, disse Pudel. Esses sistemas podem avaliar múltiplos inputs simultaneamente e tomar decisões com base na experiência passada e nas prioridades futuras.
“Normalmente, é preciso mais energia para armazenar mais informações. No entanto, nosso dispositivo usa 100 vezes menos energia e tem uma capacidade de armazenamento maior do que os dispositivos de armazenamento tradicionais, como pen drives.”
Engenharia de DNA para conduzir eletricidade
Para fabricar o dispositivo, os pesquisadores adicionaram nanopartículas de prata a uma camada de sequências de DNA personalizadas – especialmente projetadas para ter composições e comprimentos específicos – que foram integradas a finas camadas de perovskita.
Esta técnica, chamada “doping”, envolve a introdução de uma pequena quantidade de outra substância para criar propriedades específicas. Neste caso, a adição de nanopartículas de prata permitiu que o ADN conduzisse eletricidade, ao mesmo tempo que ajudava as suas unidades moleculares a alinharem-se num arranjo mais ordenado.
O DNA sintético ofereceu outra vantagem importante sobre o DNA natural. Ao contrário do ADN natural – fios longos e emaranhados que agem como esparguete molhado – pedaços curtos e rígidos de ADN sintético podem ser organizados com muito mais precisão em escalas muito pequenas.
De acordo com a coautora Neela H. Yennawar, professora pesquisadora e diretora do Centro de Interações Biomoleculares em Ciências da Vida do Penn State Huck Institute, o DNA projetado molecularmente pode fornecer organização estrutural, condutância elétrica ajustável e controle funcional que o DNA natural não consegue alcançar quando colocado em filmes finos.
“Podemos determinar computacionalmente exatamente quais sequências precisamos e quanto tempo elas têm, e então podemos projetá-las com DNA sintético”, disse Ynawer. Essas estruturas podem ser sistematicamente dopadas com prata e outros íons e projetadas para interagir perfeitamente com perovskitas – transformando o DNA de uma macromolécula biológica em uma plataforma de nanomateriais versátil e programável.
DNA e perovskita funcionam melhor juntos
Quando combinados, o DNA dopado com prata e a perovskita formaram vias de biocompósito que conduziram corrente elétrica através do dispositivo.
Os pesquisadores descobriram que os elétrons se moviam de forma confiável quando tensões tão baixas quanto 0,1 volts eram aplicadas – para comparação, as tomadas padrão dos EUA têm 120 volts – e que o dispositivo respondia de forma previsível quando a direção da corrente mudava.
Estruturas de DNA cuidadosamente projetadas, juntamente com a perovskita, também contribuíram para a estabilidade incomum do dispositivo. De acordo com a equipe, o dispositivo continuou a operar continuamente em temperaturas próximas a 250°F e por mais de seis semanas em temperatura ambiente, excedendo significativamente os padrões de desempenho para dispositivos de armazenamento de memória baseados em perovskita.
Os pesquisadores também relataram que o novo sistema pode ter o mesmo desempenho de memória que tecnologias similares, consumindo apenas um décimo da energia. Este nível de eficiência poderia tornar esta abordagem particularmente atraente para a futura electrónica concebida para lidar com grandes quantidades de informação com menores exigências energéticas.
“Usar DNA ou apenas perovskita não teve um resultado tão forte quanto esta combinação”, diz Kerman. Essa combinação permite uma densidade de armazenamento de memória muito alta que requer muito pouca energia.
Uma nova direção para a eletrônica de inspiração biológica
A equipe agora planeja melhorar ainda mais a tecnologia e explorar aplicações adicionais para sistemas eletrônicos de inspiração biológica.
“A natureza tem a solução – só precisamos encontrá-la e usá-la”, disse Poodle. “Este trabalho mostra um vislumbre do que é possível integrar o DNA na eletrônica para fazer coisas incríveis.”
Além de Keremane, Yennawar e Poudel, outros autores da Penn State incluem o coautor Luyao Zheng, pesquisador de pós-doutorado em ciência e engenharia de materiais. Haodong Wu, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais; Jiamao Zheng, que era estudante de mestrado em ciência e engenharia de materiais na época da pesquisa e desde então se formou na Penn State. Shashank Priya, que era professor de ciência e engenharia de materiais na época da pesquisa. e Chiranth C. Ravi, que era estudante de pós-graduação no Huck Institute of the Life Sciences na época da pesquisa e desde então se formou na Penn State. Os coautores Abhinav Gurti e Rashmi Jha, Engenharia Química e Ciência de Materiais, Universidade de Minnesota, também contribuíram.
A Fundação Nacional de Ciência dos EUA, os Institutos Nacionais de Saúde, a Penn State e a Universidade de Minnesota apoiaram esta pesquisa.
