انجام محاسبات منطقی با استفاده از نانوساختار لیپیدی در مدار‌های زیستی

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو،  یک گروه تحقیقاتی از نانوساختار لیپیدی برای طراحی یک مدار زیستی استفاده کردند. این نانوساختار لیپیدی از نظر عملکردی شبیه غشای سلولی است که می‌تواند عملیات محاسباتی را انجام دهد. این ابزار از نانوذراتی ساخته شده که دارای گروه‌های عاملی با لیگاند‌های شیمیایی است که به‌عنوان واحد‌های محاسباتی متصل به صفحه مدار دو لایه لیپیدی عمل می‌کنند.

مزیت این روش جدید آن است که اکنون می‌توان انواع نانوذرات را با ویژگی‌های ذاتی آن‌ها – از جمله ویژگی‌های فوتونیکی، کاتالیستی، فوتوترمال، اپتولکترونیک، الکتریکی و مغناطیسی را در نانوساختار لیپیدی ترکیب کرد. به این ترتیب شبکه‌ای از ذرات (هر کدام از ویژگی‌های منحصر به فرد خود) طراحی می‌شود تا به‌طور مستقل به اطلاعات مولکولی خارجی پاسخ دهد. توانایی کنترل این شبکه‌های نانوذره با روشی برنامه‌ریزی شده برای توسعه حوزه‌هایی مانند حسگر‌های هوشمند، تشخیص دقیق مولکولی و نانوربات‌ها بسیار مفید خواهد بود.

نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای در نشریه Science Advances به چاپ رسیده است.

جوامین نام، از دانشگاه ملی سئول (SNU) می‌گوید: «در طبیعت، غشای سلولی مشابه یک صفحه مدار است؛ زیرا طیف گسترده‌ای از نانوساختار‌های زیستی (مانند پروتئین‌ها) را به‌عنوان واحد‌هایی سازماندهی می‌کند که می‌توان آن‌ها را به‌عنوان کامپیوتری کوچک تصور کرد.»

این غشا، پروتئین‌ها را تقسیم‌بندی می‌کند به طوری که آن‌ها از مایعات خارج سلول که حاوی اطلاعات مهم برای عملکرد‌های حیاتی هستند، جدا می‌شوند. هر گیرنده پروتئینی نشانه‌های شیمیایی و فیزیکی که می‌تواند فرآیند‌هایی مانند اتصال لیگاند یا تغییر ولتاژ غشا باشد را از محیط خود به‌ عنوان ورودی گرفته و سپس خروجی ایجاد می‌کند. به‌عنوان مثال، این پاسخ می‌تواند تغییرات ساختاری یا واکنش‌های دیمریزاسیون / تجزیه باشد.

نام می‌گوید: «این نانوساختار‌ها به غشا‌ها اجازه می‌دهند تا به‌ صورت پویا با یکدیگر تعامل داشته و عملکرد‌های پیچیده‌ای را به‌ صورت شبکه انجام دهند. فرایند‌های زیست محاسباتی که آن‌ها انجام می‌دهند کاملاً موازی بوده و کلیدی برای چگونگی سازگاری سیستم‌های زنده با تغییرات محیط آن‌ها هستند.»

این لایه لیپیدی که محققان در این پروژه ساختند، به‌ طور کلی یک صفحه مدار غشای سلولی مصنوعی است که در آن ساختار‌های نانوپردازشگر اطلاعات با استفاده از مولکول‌های زیستی به هم متصل می‌شوند. آن‌ها در کار خود از نانوذرات پلاسمونی پراکنده کننده نور به‌ عنوان اجزای مدار (به جای پروتئین‌ها) و DNA به‌عنوان لیگاند‌های سطحی استفاده می‌کنند. برای انجام محاسبات، آن‌ها از تعامل نانوذرات با یکدیگر از طریق لیگاند‌های سطح استفاده می‌کنند.

واحد‌های محاسباتی وقتی در محلول حاوی رشته‌های DNA قرار می‌گیرند، با تشخیص حضور این مولکول‌ها ساختار خود را تغییر می‌دهند. این سیگنال ورودی برای دروازه منطقی نانوذره است که سپس به‌عنوان خروجی، مونتاژ و جداسازی ذرات را آغاز می‌کند. محققان از میکروسکوپ میدان تاریک با وضوح بالا استفاده کردند که سیگنال‌های پراکندگی نور قوی و پایدار را از نانوذرات تشخیص می‌دهد تا فعل و انفعالات آن‌ها را ردیابی کند.

تیم SNU می‌گوید که می‌توان چندین واحد محاسباتی نانوذره‌ای را به یک شبکه متصل کرده و در نتیجه تعدادی دروازه منطقی را برای پردازش پیچیده‌تر اطلاعات، به یک مدار ترکیبی مانند یک مالتی پلکسر متصل کرد. با استفاده از این روش، که آن را «برنامه‌نویسی رابط» نام‌گذاری کرده‌اند، یک جفت نانوذره روی دو لایه لیپیدی می‌توانند عملیات منطقی AND، OR و INHIBIT را انجام دهند.