In 1965 heeft Intel-mede-oprichter Gordon Moore een voorspelling gedaan over computergebruik dat tot op de dag van vandaag is waargemaakt. De wet van Moore voorspelde dat het aantal transistors dat we op een circuit zouden kunnen proppen - en daarmee de effectieve verwerkingssnelheid van onze computers - ongeveer om de twee jaar zou verdubbelen. Opmerkelijk genoeg is deze regel al bijna 50 jaar nauwkeurig, maar de meeste experts voorspellen nu dat deze groei tegen het einde van het decennium zal vertragen.
Op een dag zou een radicale nieuwe aanpak voor het creëren van silicium halfgeleiders deze snelheid mogelijk kunnen voortzetten - en zelfs kunnen versnellen. Zoals gedetailleerd in een studie gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences van deze maand, heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Californië in Santa Barbara en elders het evolutieproces benut om enzymen te produceren die nieuwe halfgeleiderstructuren creëren.
"Het is als natuurlijke selectie, maar hier is het kunstmatige selectie, " zei Daniel Morse, emeritus hoogleraar aan UCSB en co-auteur van de studie, in een interview. Na het nemen van een enzym dat in zeesponzen is gevonden en het in veel verschillende vormen heeft gemuteerd, "hebben we de ene in een miljoen gemuteerde DNA's geselecteerd die een halfgeleider kunnen maken."
In een eerdere studie hadden Morse en andere leden van het onderzoeksteam silicateïne ontdekt - een natuurlijk enzym dat door zeesponzen wordt gebruikt om hun silicaskeletten te bouwen. Het mineraal dient namelijk ook als bouwsteen van halfgeleidercomputerchips. "We stelden toen de vraag - zouden we de structuur van het enzym genetisch kunnen manipuleren om andere mineralen en halfgeleiders te produceren die normaal niet door levende organismen worden geproduceerd?" Zei Morse.
Om dit mogelijk te maken, isoleerden en maakten de onderzoekers veel kopieën van het deel van het DNA van de spons dat codeert voor silicateïne, en introduceerden vervolgens opzettelijk miljoenen verschillende mutaties in het DNA. Bij toeval zouden sommige hiervan waarschijnlijk leiden tot mutante vormen van silicateïne die verschillende halfgeleiders zouden produceren, in plaats van siliciumdioxide - een proces dat de natuurlijke selectie weerspiegelt, zij het op een veel kortere tijdschaal, en gestuurd door menselijke keuze in plaats van overleving van de sterkste .
Het oorspronkelijke enzym is afkomstig van zeesponzen, die het gebruiken om hun silicaskeletten te maken. (Foto via Wikimedia Commons / Hannes Grobe) Om erachter te komen welke gemuteerde vormen van het silicaat-DNA zouden leiden tot de gewenste halfgeleiders, moest het DNA tot expressie worden gebracht via de moleculaire machines van een cel. "Het probleem was dat, hoewel silica relatief onschadelijk is voor levende cellen, sommige van de halfgeleiders die we willen produceren giftig zijn, " zei Morse. “Dus we konden geen levende cellen gebruiken - we moesten een synthetisch surrogaat voor cellen gebruiken.” Als kunstmatige vervanging voor cellen gebruikte het team kleine bellen water gevormd rond plastic kralen. Een verschillende vorm van het mariene spons-DNA was gehecht aan elk van de miljoenen kralen, en de chemicaliën die nodig zijn om het DNA tot expressie te brengen als een enzym werden in het water opgenomen.
Vervolgens werden de plastic kraal "cellen" ingekapseld in olie, die fungeerde als een kunstmatig celmembraan. De korrels werden vervolgens in een oplossing gebracht die de chemicaliën (silicium en titanium) bevatte die nodig zijn voor de mutante enzymen om halfgeleidermineralen aan de buitenkant van de korrels te gaan bouwen.
Na enige tijd voor de enzymen te hebben laten werken om mineralen te maken, werden de kralen door een laserstraal geleid, naast een sensor die automatisch detecteerde wanneer een van de gewenste halfgeleiders (siliciumdioxide of titaniumdioxide) erdoorheen ging. Daarna werden de succesvolle kralen - die met deze halfgeleiders aan hun buitenzijde verzameld - opengebroken zodat het mutante DNA kon worden geïsoleerd en het effect ervan kon worden bevestigd.
Verschillende vormen van siliciumdioxide worden momenteel gebruikt bij de productie van computerchips, terwijl titaniumdioxide wordt gebruikt bij de productie van zonnecellen. De productie van dergelijke stoffen met behulp van biologische enzymen en gerichte evolutie is een primeur.
Hoewel dit zeker niet betekent dat de onderzoekers cellen hadden die computerchips eruit pompen, wijst het wel op een nieuwe methode voor het maken van halfgeleiders. De halfgeleiders gemaakt door de mutante enzymen in het experiment, zei Morse, "zijn nog nooit eerder in de natuur geproduceerd en nog nooit eerder door een enzym geproduceerd, maar ze worden tegenwoordig in de industrie gebruikt voor allerlei soorten communicatie en informatieverwerking. "Een paar jaar later kunnen nieuwe en gespecialiseerde vormen van halfgeleiders die met deze methode zijn geproduceerd zelfs een rol spelen bij het waarborgen van de voorspelling van Gordon Moore.
