חוקרים מאוניברסיטת פן סטייט דיווחו לאחרונה על פיתוח שמחבר בין שני עולמות שנראים רחוקים זה מזה – DNA ואלקטרוניקה. במחקר שפורסם בכתב העת "Advanced Functional Materials", הצוות הציג רכיב זיכרון המשלב DNA סינתטי עם חומר מוליך למחצה בשם פרובסקיט. בניסויים הצליח הרכיב לשמור מידע תוך שימוש בכמות קטנה מאוד של אנרגיה, והחוקרים מעריכים שהגישה עשויה לסלול דרך לדור חדש של אמצעי אחסון חסכוניים במיוחד.
לפי החוקרים, גרם אחד של DNA מסוגל באופן תיאורטי להכיל כ-215 מיליון גיגה-בייט של נתונים. אלא שהיכולת המרשימה הזאת אינה הופכת אותו אוטומטית לרכיב שאפשר לחבר למחשב. הבעיה פשוטה: DNA שייך לעולם הביולוגי, בעוד שבבים ומערכות זיכרון מבוססים על חומרים אלקטרוניים. לגרום לשני העולמות לעבוד יחד בצורה יציבה ויעילה היה אתגר מרכזי. כעת טוענים החוקרים כי מצאו דרך לעשות זאת.
במקום להשתמש ב-DNA טבעי, החוקרים יצרו DNA סינתטי – מקטעים קצרים שתוכננו במיוחד כך שיתאימו לצרכים של הרכיב האלקטרוני. אליהם הם צירפו פרובסקיט, חומר מוליך למחצה שכבר משמש במחקר ובפיתוח של טכנולוגיות כמו תאים סולאריים, לייזרים ורכיבי אחסון.
קאביה ס. קרמאנה, מהחוקרים שהובילו את העבודה, הסבירה: "ביולוגיה ואלקטרוניקה הן תחומים שונים. החיבור בין שני התחומים דרש פיתוח של פלטפורמת חומרים חדשה לחלוטין, שמאפשרת להם לפעול יחד בצורה חלקה". לדבריה, "באמצעות שילוב יכולות אחסון המידע של DNA עם התכונות האלקטרוניות יוצאות הדופן של מוליכים למחצה מסוג פרובסקיט, יצרנו מערכת ביולוגית־היברידית שמשנה באופן מהותי את הדרך שבה ניתן לתכנן רכיבי זיכרון בעלי צריכת חשמל נמוכה".
באמצעות השילוב הזה יצר הצוות רכיב המכונה ממריסטור. בפשטות, מדובר ברכיב שמסוגל "לזכור" פעילות חשמלית קודמת גם לאחר שמפסיקים לספק לו חשמל. בניגוד לרכיבים רגילים מסוימים, הוא אינו חייב להתחיל מאפס בכל פעם שהזרם נפסק. היכולת הזאת חשובה במיוחד משום שהיא מאפשרת לבצע אחסון ועיבוד מידע באותו מקום, במקום להעביר נתונים שוב ושוב בין יחידות שונות במחשב.
הגישה מזכירה במידה מסוימת את פעולת תאי העצב במוח, ולכן רכיבים כאלה נחשבים מועמדים לשימוש עתידי ב"מחשוב נוירומורפי" – מחשוב שמנסה לחקות עקרונות מסוימים בדרך שבה המוח מעבד מידע. הנושא הופך משמעותי במיוחד עם התרחבות השימוש בבינה מלאכותית, שדורשת יכולות חישוב ואחסון הולכות וגדלות – ובהתאם גם יותר חשמל. בד פודל, ממובילי המחקר, אמר: "ככל שהביקוש לבינה מלאכותית גדל, אנחנו זקוקים לאסטרטגיה חדשה למכשירים בעלי צריכת חשמל נמוכה ויכולת אחסון גבוהה".
כדי להפוך את ה-DNA לחלק פעיל ברכיב, החוקרים הוסיפו לו חלקיקי כסף זעירים. התהליך שיפר את יכולתו להוליך חשמל וגם סייע לסדר את המבנה המולקולרי שלו בצורה מאורגנת יותר. גם כאן הייתה חשיבות לכך שמדובר ב-DNA סינתטי. DNA טבעי בנוי משרשראות ארוכות ומסובכות שקשה מאוד לסדר בצורה מדויקת בתוך רכיב זעיר. לעומת זאת, את המקטעים הסינתטיים ניתן לתכנן מראש באורך ובהרכב הרצויים.
נילה ה. ינאוואר, שהשתתפה במחקר, הסבירה: "אנחנו יכולים לקבוע באמצעות מחשב בדיוק אילו רצפים אנחנו צריכים ומה צריך להיות אורכם, ולאחר מכן לתכנן אותם באופן מכוון באמצעות DNA סינתטי". לדבריה, כך ניתן להפוך את ה-DNA "ממקרומולקולה ביולוגית לפלטפורמת ננו-חומרים ניתנת לתכנות ורב-תכליתית".
בניסויים נמצא שהשילוב בין ה-DNA לפרובסקיט יצר מסלולים שדרכם יכול הזרם החשמלי לעבור בצורה יציבה. הרכיב הצליח לפעול כאשר הופעל עליו מתח של פחות מ־0.1 וולט. בנוסף, כאשר החוקרים שינו את כיוון הזרם, המערכת הגיבה באופן צפוי – תכונה חשובה לרכיב שאמור לשמש כזיכרון.
גם מבחינת יציבות התקבלו תוצאות מבטיחות. לפי המחקר, המערכת המשיכה לפעול בטמפרטורות שהתקרבו ל־121 מעלות צלזיוס, ובטמפרטורת החדר שמרה על פעילות במשך יותר משישה שבועות. החוקרים דיווחו גם כי המערכת הצליחה לבצע את אותה פעולת זיכרון כמו טכנולוגיות מקבילות תוך שימוש בכעשירית מכמות האנרגיה. לדברי פודל, "בדרך כלל נדרשת יותר אנרגיה כדי לאחסן יותר מידע. המכשיר שלנו, לעומת זאת, צורך פי 100 פחות אנרגיה ויכולת האחסון שלו גבוהה יותר ממכשירי אחסון מסורתיים, כמו כונני פלאש".
אחד הממצאים המרכזיים היה שאף אחד משני המרכיבים לא סיפק לבדו את אותה רמת ביצועים. "השימוש רק ב-DNA או רק בפרובסקיט לא הניב תוצאה חזקה כמעט כמו השילוב ביניהם", הסבירה קרמאנה. "השילוב הזה הוא שמאפשר צפיפות אחסון גבוהה מאוד שדורשת מעט מאוד אנרגיה". הצוות מתכוון כעת להמשיך לשפר את הטכנולוגיה ולבדוק שימושים נוספים לחיבור בין חומרים ביולוגיים לבין אלקטרוניקה.
פודל סיכם: "לטבע יש את הפתרון – אנחנו רק צריכים למצוא אותו וליישם אותו. העבודה הזאת, שמשלבת DNA באלקטרוניקה כדי לעשות דברים מדהימים, נותנת הצצה למה שעשוי להיות אפשרי".
