Những vi sinh vật xây mạch tích hợp. docx

Những vi sinh vật
xây mạch tích hợp.




Với virút đóng vai đội quân xây
d
ựng theo thiết kế của "kiến trúc
sư" ADN, công nghệ sinh học có
thể là chìa khoá mở đường tới
công nghệ "hậu quang khắc"
trong chế tạo các mạch IC. Tạp
chí HĐKH xin giới thiệu những
nét chính bài viết của Peter
Fairley đăng trên tạp chí IEEE
SPECTRUM, số tháng 11.2003.

Tháng 7.2003, trước một nhóm
đông các nhà sinh vật học tại thành
phố New York, Angela Belcher,
nhà khoa học vật liệu ngư
ời Mỹ nói
rằng trong vòng 6 tháng nữa phòng
thí nghiệm của bà ở Viện Công
nghệ Massachusetts (MIT -
Cambridge) bằng công nghệ gen sẽ
có trong tay một virút khoác áo l

àm
bằng chất bán dẫn tinh thể, biết
định vị và nối liền hai điện cực.
Như vậy, đây chính là ph
ần cốt yếu
của một transito hiệu ứng trường,
loại chi tiết dùng để chế tạo phần
lớn các chíp máy tính. Thành công
này là một chứng minh hùng hồn
về vai trò thúc đẩy tiến bộ công
nghệ của sinh học đối với công
nghệ nano trong tương lai: S
ản xuất
các mạch và thiết bị có kích thước
đo bằng phần tỉ mét.

Tự lắp ráp sinh học, một khả năng
kỳ diệu của tạo hóa, tạo ra đư
ợc các
cấu trúc phân tử phức tạp nhất mà
khoa học đã từng biết tới. Lợi dụng
sự chọn lọc tự nhiên qua nhiều ni
ên
đ
ại, những tổ chức sắp xếp ba chiều
này của các nguyên tử tỏ ra rất
chính xác, tin cậy, cực kỳ tỉ mỉ,
vượt xa khả năng công nghệ đương
đại. Dư
ới sự điều khiển của các gen

được mã hoá trong ADN, tế bào t
ạo
ra các prôtein làm nên các kết cấu
tinh tế cần cho sự sống. Và giờ đây
các nhà khoa học đã có thể làm
thay đổi mã di truyền của các vi
sinh vật theo phương châm tăng
cường tính đơn giản và độ chính
xác. Nhiều nghiên cứu tiếp đó chỉ
ra rằng, cơ chế tương tự này có thể
giúp ta thực hiện công đoạn xây
dựng và l
ắp ráp các vật liệu, kết cấu
đặc biệt trong các thế hệ tương lai
của ngành điện tử.

Các "con" virút nói trên thực hiện
năng lực kiến tạo mạch của nó từ
áo của các prôtein tương tác ở mức
phân tử với một vật liệu mà nó cần
mang vào, chẳng hạn như vẩy/hạt
c
ủa một chất bán dẫn. Trong các dự
án đang tiến hành, các nhà khoa
học sử dụng các prôtein và ADN đ
ể
ki
ến tạo ra các tinh thể của chất bán
dẫn theo phương thức lắp ráp từng
nguyên tử một, gắn với các kim

loại quý, biết phân biệt hạt nano
này với các hạt nano khác trên cơ
sở những dị biệt về tính chất điện
học của chúng, đồng thời đạo diễn
cả sự bố trí, xắp đặt của các chi tiết
nano.

Xem ra bằng những nỗ lực ngày
càng gia tăng, các chuyên gia đã
thuyết phục để các nhà đầu tư tin
rằng, mạch tự lắp ráp bằng con
đường sinh học sẽ ra đời và có thể
tồn tại được trong cơ chế thị
trường. Đơn cử, quân đội Mỹ - m
ột
trong những nhà tài trợ đầu tiên ở
lĩnh vực nghiên cứu này - quyết
định, trong vòng 8 tháng họ sẽ xây
dựng xong Viện Hợp tác các Công
nghệ sinh học, một trung tâm
nghiên cứu trị giá 50 triệu USD
gồm các thành viên là Đại học
California ở Santa Barbara, Học
viện Công nghệ Massachusetts và
Viện Công nghệ California để đẩy
nhanh công việc nghiên cứu. Họ
thấy được vai trò c
ủa công nghệ lắp
ráp này trong việc chế tạo xenxo,
các thiết bị hiển thị và lưu giữ từ

cũng như trong sản xuất năng
lượng và trong x
ử lý thông tin. Hầu
hết các nhà khoa h
ọc cho rằng công
nghệ này đầu tiên sẽ được sử dụng
vào việc tạo ra các xenxo gồm một
vài thiết bị kết nối với mạch silic
thông thường. Nhưng đấy không
phải là đích cuối cùng. Nh
ằm tạo ra
bước ngoặt có tính cách mạng, họ
làm công nghệ gen trên các vi sinh
vật để chúng xây nên các mạch
kích thước nano trên cơ sở các mã
di truyền đã được cấy vào ADN
của chúng. Bằng cách này người ta
có thể loại bỏ các mẫu hình cắt gọt
thành thể bán dẫn được xử lý ngày
càng khó khăn nhờ laze, plasma,
các khí ngoại nhập, nhiệt độ cao
trong môi trường công nghiệp đắt
tiền. Thay vì thế, một dịch thể gồm
các phân tử sinh học ở nhiệt độ
phòng, theo hiệu lệnh, sẽ thực hiện
một "vũ điệu hoá học" đã lập trình
gen để rồi kết thúc bằng sản phẩm:
Một mạch chức năng có quy mô
kích thước nano.

Transito của Angela Belcher sinh
ra từ một virút là kết quả của kỹ
thuật gen. Song không có nghĩa là
các nhà nghiên cứu đã thiết kế ra
con virút cũng như prôtein cho
phép nó làm kết tinh các chất bán
dẫn và gắn vào kim loại. Thay vì
phát kiến ra các cơ chế này, họ giải
phóng sức mạnh của tiến hoá. Và,
các kỹ sư di truyền đang "tiến hoá"
các công cụ công nghệ nano bằng
cách lựa chọn các phân tử tốt nhất
cho công việc này từ nhiều phương
án thu được trong số các quần thể
lớn tiến hoá qua một số thế hệ.

Trước đây, sử dụng phép tiến hoá
hoàn toàn chỉ có trong quan niệm.
Mãi đến năm 1997, tiềm năng của
nó lần đầu tiên mới được Stanley
Brown, nhà di truyền học tại
Trường Đại học Copenhagen - Đan
Mạch, làm rõ. Ông đã nh
ận dạng ra
việc các peptit - các prôtein nhỏ
được tạo bởi một chuỗi ngắn các
axit amin - có thể gắn các hạt nano
bằng vàng vào nhau thành các khối
có thể thấy được, rất giống cách m
à

các fibrin gắn các tế bào máu với
nhau. Ba năm sau, Belcher phát
kiến một phương pháp nhận dạng
nhanh các peptit có khả năng cắm
vào một thớ của một số chất bán
dẫn có ý nghĩa. Nghiên cứu vai trò
của các prôtein ở con sò Cali trong
việc điều khiển canxi cacbonat làm
vỏ bọc, bà đã từng nói: "Sò Cali
không có cơ hội phát triển một
quan hệ tương tác với galium
acxênit hoặc inđium phôtphit. Vậy
nên, vấn đề ở đây phải chăng là ta
có thể giúp chúng có một sự tương
tác như cách chính chúng ta phải
làm". Sau đó bà nhanh chóng phát
hi
ện ra những peptit cần thiết thông
qua việc hợp tác với New England
Biolabs Inc. để được cung cấp các
virut và thực khuẩn thể (phage) có
sẵn trong ngân hàng của họ. Loại
thực khuẩn thể mà người ta cung
cấp cho bà là loại đã được thiết kế
để hiển thị các peptit.

Belcher đã sử dụng các con virut
của mình nhằm vào các tinh thể
sạch của chất bán dẫn trong một
quá trình được gọi là tiến hoá có

điều khiển (directed evolution). Có
thể mô tả vắn tắt cơ chế tiến hoá
này để có các peptit mong đợi như
sau: trước tiên đổ một dung dịch
thực khuẩn thể vi sinh
(bacteriophage) lên một mảnh tinh
thể chất bán dẫn phù hợp (nền của
chíp định làm). Sau đó, chíp được
rửa nhẹ nhàng trong dung dịch hoá
chất loãng (axit/bazơ). Tuy
ệt đại đa
số các virút này bị rửa trôi trở lại,
nhưng có một vài con bám chắc
vào mảnh tinh thể. Những con này
được gỡ khỏi chíp để làm "giống"
nhân lên bằng cách cho vi khuẩn
nhiễm virút này rồi đổ trở lại lên
chíp và sau đó lại đưa vào rửa kỹ
trong các dung dịch hoá chất kể
trên với nồng độ ngày càng tăng
trong các l
ần lặp tiếp theo. Sau một
số chu kỳ, những con virút c
òn bám
lại được là những con mà áo peptit
của chúng có sức bám chặt v
ào tinh
thể chất bán dẫn. Qua quá trình m
ột
năm, bà đã thực hiện nhiều vòng

tiến hoá có điều khiển để chọn ra
những con virút bám được vào các
tinh thể galium arsenit và indium
phôtphit là hai chất bán dẫn dùng
để chế tạo các chip truyền thông
tần số cao. Đáng ngạc nhiên và
dường như không thể tin đư
ợc: Các
peptit dính virút chỉ bám chặt vào
một mặt của một tinh thể galium
arsenit mà thực sự bỏ qua các mặt
còn lại của tinh thể ấy.

Sau đó, bà và các cộng sự đã chỉ ra
rằng các con virút nhân tạo đó
không chỉ gắn vào chất bán dẫn mà
còn có thể tạo ra chính các tinh thể
chất bán dẫn kích thước nano. Khi
trộn với các tiền chất có chứa các
thành phần cơ b
ản của chất bán dẫn
mong muốn, các peptit đã được xử
lý của virút hoạt động như một
khuôn cối, đẩy các nguyên tử vào
một cấu trúc tinh thể tương tự như
loại đã mô tả ở trên. Kết quả là xu
ất
hiện một thể lai hữu cơ/vô cơ gồm
phần tử virút, dài 850 nm và r
ộng 7

nm, tạo thành một cách bất thường
các tinh thể chất bán dẫn có kích
thước từ 2 đến 3 nm tại bất cứ nơi
nào có mặt các peptit đã được xử
lý. Những tinh thể này, gọi là các
chấm lượng tử, là phần tử cơ bản
của các mạch kích thước nano.




Belcher đã chọn được các virút để
tạo ra các chấm lượng tử của các
chất bán dẫn kẽm sunphit, catmi
sunphit và các vật liệu từ tính
coban - bạch kim, sắt - bạch kim.
Đã lắp ráp chúng thành các màng
nhiều lớp nhờ lợi dụng đặc tính là
các virút xếp hàng sát bên nhau
trong một tinh thể lỏng nếu rút hết
nước khỏi dung dịch hoà tan nó.
Các màng virút có các chấm từ có
thể dùng để chế tạo các lớp hoạt
tính của bộ nhớ flash chấm lượng
tử mật độ cao. Nhiều công ty, điển
hình là IBM, Fujitsu và Hitachi
luôn sẵn sàng cung cấp các thiết bị
như thế cho các nhu cầu nảy sinh.
Nếu mỗi chấm lượng tử này đại
diện cho một bit của bộ nhớ thì

1cm2 màng virút có thể chứa hơn
30 GB dữ liệu. Song, so với các
chấm lượng tử xếp đều, thẳng hàng
,
các mạch tích hợp đòi hỏi nhiều
hơn, phức tạp hơn. Trên thực tế để
chế tạo ra các transito, một dạng
mạch đơn giản, công nghệ gen vẫn
tỏ ra có hiệu quả. Trong khi thực
hiện tiến hoá có điều khiển, một sự
kiện quan trọng đã xảy ra: Phát
hiện ra loại peptit bám được vào
kẽm sunphit hay một số chất bán
dẫn khác. Đặc biệt là nhận dạng
được mã di truyền cho việc sản
xuất ra các peptit này. Như vậy
người ta đã có thể nối đoạn gen n
ày
vào ADN của virút tại nơi c
ần thiết,
ví dụ tại đoạn tạo ra các prôtein ở
thân chứ không phải là ở đuôi hoặc
ở đầu của thực khuẩn thể dùng
trong chế tạo transito hiệu ứng
trường mà ống nano đư
ờng kính 10
nm làm chức năng dây dẫn xuất xứ
từ chính thân của nó. Tương tự, có
thể làm cho các dây dẫn virút này
bám vào các kim loại, như vàng

(được dùng làm điện cực) nhờ xử
lý kỹ thuật các peptit nơi đầu và
đuôi của thực khuẩn thể nói trên.

Các sơ đ
ồ tự lắp ráp khác lại bỏ qua
các con virút mà sử dụng chính các
peptit của chúng. Một số nhà
nghiên cứu có lúc còn sử dụng các
prôtein nguồn gốc tự nhiên, như
prion gây bệnh bò điên. Mehmet
Sarikaya, nhà khoa học vật liệu ở
Trường Đại học Washington sử
dụng một kỹ thuật tương tự của
Belcher để tìm ra các peptit bám
vào vàng và các kim loại khác.
Theo ông, các peptit này cuối cùng
cũng có khả năng sắp đặt lại các
khối kết cấu khác nhau của các
mạch nano vào đúng chỗ của nó.
Đây chính là hành vi tự lắp ráp. Để
có thể lắp ráp được tất cả cùng một
lúc, chúng phải nhận dạng được
nhau ở cấp phân tử. Có nghĩa là c
ần
tạo ra một peptit bẫy để thực hiện
chức năng đó.

Cho đến nay có nhiều cá nhân và t
ổ

chức khoa học tham gia vào hướng
nghiên cứu tiến hoá có điều khiển
nói trên (xem bảng tổng hợp ở
bên). Mục đích cuối cùng của họ là
thông qua công nghệ sinh học thực
hiện việc lắp ráp tự động các công
cụ sử dụng cho các thế hệ công
nghệ của kỹ nghệ tương lai, trước
hết của ngành điện tử. Trên cơ sở
kh
ả năng nhận dạng "đối tác" ở cấp
phân tử, tế bào, cấu trúc xoắn kép
của ADN và "luật ghép cặp bazơ"
(chắp nối các nhánh xoắn đơn bù
nhau) tự động lắp ráp cấp độ nano
đã có một số thành công, s
ản phẩm,
cụ thể như trong kỹ thuật in litô
nano dùng bút mực.