Počítačové součástky o velikosti molekul mohou představovat novou revoluci v IT a pomoci nám vytvořit levnější, rychlejší, menší a výkonnější počítače. Spolehlivě a efektivně je sestavit ovšem zatím představuje výzvu. V článku prověřujeme možnosti sebeuspořádání molekulárních strojů, přičemž cílíme na synergii se současnými způsoby výroby mikročipů a inspirujeme se řešeními dosaženými biologickou evolucí.
Miniaturizace současných křemíkových počítačových čipů se zřejmě blíží své hranici. Molekulární elektronika využívající jednomolekulární spínače a paměti slibuje revoluci ve velikosti, rychlosti a výkonu počítačů a snižování energetické spotřeby, masová výroba a uspořádání nanosoučástek s minimem defektů do obvodů jsou zatím mimo naše možnosti. Tento stav by ovšem mohla změnit inspirace ze světa živé přírody.
Prototypy obvodů sestavených jen z hrstky molekul se v současné době vyrábějí pomocí mikroskopie skenovací sondou, při které je možné manipulovat jen jedinou molekulou naráz pomocí pomalého, těžkého makroskopického hrotu. Sebeuspořádání součástek i celých obvodů by mohlo tento problém vyřešit, ale s ním přicházejí nové výzvy, například jak vytvořit rozmanité struktury, když může být v interakcích mezi hrstkou funkčních skupin zakódováno jen relativně málo strukturní informace.
My jsme se inspiroval živou přírodou, kde jsou v látkách jako DNA či RNA funkční a strukturní složky odděleny: cukr s fosfátem představují lešení a nukleobáze, provázané vodíkovými můstky, pro změnu úložiště informací. Právě díky těmto vazbám se informační polymery dokážou sebeuspořádat do složitých tvarů a řídit sebereplikaci nebo syntézu jiných molekul. Tento přístup už se využívá v „DNA origami“, které dokáže tvořit složité molekuly kýženého tvaru a funkce. Jak ale můžeme podobný proces urychlit a získat větší rozmanitost látek?
V naší studii propojujeme možnosti nabízené DNA origami s fotolitografií využívanou k výrobě složitých struktur současných čipů. Toto propojení může být klíčem k masové produkci revolučních molekulárních obvodů integrovaných se současnou výrobní technologií čipů a k hladkému přechodu od současné technologie na další úroveň. Abychom toho dosáhli, navrhujeme nahradit cukro-fosfátové lešení fotosenzitivním diacetylenem. Následně používáme detailní simulace, abychom našli komplementární koncové skupiny provazatelné vodíkovými můstky, které by za výrobních podmínek současných čipů dokázaly řídit sebeuspořádání součástek.
Deriváty diacetylenu byly využity proto, že za právě těchto podmínek dokážou při primingu UV světlem nebo dodáním elektronů efektivně polymerizovat. Vhodnost různých koncových skupin, jednotek analogických DNA/RNA bazím („písmenům“ genetického kódu), jsme zkoumali in silico. Naším cílem bylo najít komplementární páry, ve kterých se dvě jednotky spolehlivě vážou jedna ke druhé a nikoli k jiným skupinám – tato vlastnost, analogická fungování DNA, je klíčem k vytvoření přesně naplánovaných obvodů. Zjistili jsme, že jednotky obsahující koncové skupiny s čistými donory elektronů jsou pro tento účel obzvlášť vhodné. Objevili jsme šestnáct slibných kandidátních jednotek, které představují cestu pro budoucí experimentální výzkum a využití v průmyslu.
Výzkum má také zajímavé aplikace pro výpočetní techniku inspirovanou DNA a umělé analogy DNA. Nejvhodnější nalezené čtyřpísmenné „abecedy“ se vyskytovaly ve velmi úzké oblasti vazebných energií 15−25 kcal/mol a zakládaly se na malém podílu testovaných koncových skupin. Ačkoli bylo možné s vysokou přesností otestovat relativně malý prostor potenciálních „písmen“, tato zjištění naznačují, že abeceda naší DNA nemusí být jen výsledkem „náhody zamrzlé v čase“, ale mohlo jít o stabilní, energeticky výhodnou možnost. V testovaném prostoru nebyly objeveny žádné šestipísmenné abecedy, ale jiné mechanismy selektivity a nekovalentních vazeb krom vodíkových můstků (jako třeba halogenové můstky) by jejich existenci mohly umožnit. Podobně by mělo být možné testovat terapeutické a farmaceutické DNA analogy.