الكترونیك بیو ملكولی

ظهور فناوری های نانو در هر یك از رشته های علمی و فنی هم می تواند تغییرات گسترده ای را ایجاد كند یكی از این عرصه ها الكترونیك است تقریباّ از چهل سال پیش تا كنون, شاهد رشد شتابانی در رایانه های الكترونیكی بوده ایم

ظهور هر فناوری جدید، انتظاراتی برای تحول در صنعت و شیوهٔ زندگی به وجود می‌آورد. به عنوان مثال، با ظهور فناوری‌های اطلاعات و ارتباطات (IT) تغییرات شگرفی در زندگی بشر به وجود آمد. با وجود اینترنت، شكل و ساختار تحقیقات و مطالعات از درون كتابخانه‌ها به پشت رایانه‌ها انتقال یافت. داد و ستد با پول جای خود را به داد و ستد با كارت‌های اعتباری داد و حتی ارتباط میان ملت‌ها راحت‌تر و آسان‌تر شد، تا جایی كه انسان‌ها می‌توانند در جهان امروز، همچون یك دهكدهٔ كوچك، با یكدیگر ارتباط داشته باشند.

ظهور فناوری‌های نانو در هر یك از رشته‌های علمی و فنی هم می‌تواند تغییرات گسترده‌ای را ایجاد كند. یكی از این عرصه‌ها الكترونیك است. تقریباّ از چهل سال پیش تا كنون، شاهد رشد شتابانی در رایانه‌های الكترونیكی بوده‌ایم. قدرت رایانه‌ها با گذشت زمان نسبت به حالت‌های اولیه زیادتر و در عین حال حجم ترانزیستورهای آنها كمتر شده است.

البته باید توجه کرد که كاهش حجم ترانزیستور تا اندازه‌ای امكان‌پذیر است و بخصوص با روش‌های فعلی به آخرین حد کوچک کردن نزدیک می‌شویم و به‌زودی به بن‌بست می‌رسیم. اصول علم الكترونیك امروزی بر اساس حركت آماری الكترون‌ها و اتم‌هاست. این اصول به ما اجازه نمی‌دهند تا هر اندازه که بخواهیم فرایند کوچک‌سازی حجم ترانزیستورها را ادامه دهیم. در عصر نانوفناوری، بررسی اصول الكترونیك در اندازهٔ کوچک‌تر از ۳۰ نانومتر امکان‌پذیر نیست، زیرا در این مقیاس، دیگر پدیده‌های آماری جوابگو نخواهند بود. برای رسیدن به این حدّ کوچک‌سازی، باید از علم و تكنیك‌های جدید برای ادامهٔ رشد الكترونیك استفاده كرد. یكی از روش‌های جدید، الكترونیك بیوملكولی است.

در حقیقت، الكترونیك بیوملكولی بر این اصل استوار است كه امكان ایجاد سیستم‌ها و رایانه‌های مختلف در اثر اختلاط مبانی فیزیك و ریاضی با دانستنی‌های زیست‌شناسی وجود دارد. برای مثال می توان به ساختن اعصاب مصنوعی اشاره كرد.

موجودات زنده برای انجام اغلب فعالیت‌های خود به سیستم‌های شیمیاییِ سازمان‌یافته‌ای چون فتوسنتز و اكسیداتیو و... وابسته‌اند.

یك سلول از گیاهان سبز آلی را در نظر بگیرید. بیشتر اندامك‌های این گیاهان شامل همین سیستم‌های شیمیایی سازمان‌یافته هستند. یكی از مهمترین این اندامك‌ها كه نقش سوخت و ‌ساز را در گیاهان به عهده دارد «میتوكُندری» است. فرآیندهای كسب انرژی در طبیعت، دیرزمانی است كه مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. مجموع این مطالعات بیانگر آن است كه سیستم‌های مبدل انرژی، ساز و كار واحدی دارند.

نقل و انتقال الكترون‌های پُرانرژی به واسطه‌ی كاهش تدریجی در انرژی آزاد، در نهایت به شكل خاصی از تركیبات می‌انجامد كه انرژی لازم را برای فرآیندهای حیاتی تأمین می‌كنند. این الكترون‌های پُرانرژی، یا محصول جذب انرژی نورانی هستند (فتوسنتز)، یا از اكسیداسیون مواد غذایی (تنفس سلولی) پدید می‌آیند. در تنفس سلولی، الكترون‌های حاصل به طور عمده توسط مولكول «نیكوتین آمید آدنین دی نوكلئوتید» (NADH) به صورت یون هیدرید (H+) به زنجیره‌ی انتقال الكترون‌ها در غشای داخلی میتوكُندری وارد می‌شوند. اكسیداسیون یون هیدرید اكسیژن كه به تشكیل مولكول آب می‌انجامد انرژی‌زا است. حال اگر این واكنش به صورت فرآیندهای متعدد اكسیداسیون و احیا در غشای داخلی میتوكُندری انجام شود، انرژی حاصل در نهایت در مولكول‌های ATP ذخیره خواهند شد. ATP منبع انرژی سلول است.

امروزه به واسطه‌ی اطلاعاتی كه در ارتباط با نقل و انتقالات الكترونی غشای داخلی میتوكُندری و ساختارهای مربوطه داریم، می‌توانیم به چنین سیستمی از نقطه نظر فناوری توجه كنیم. در واقع قصد داریم كه از این سازوكار تولید انرژی در صنایع الكترونیك استفاده كنیم. در این رابطه می‌توان به پژوهش‌هایی اشاره كرد كه در آنها از طریق مهندسی پروتئین‌های ناقل الكترون ساختارهایی طراحی و ساخته می‌شوند كه در نهایت امكان بهره‌وری در صنایع بیوحسگر و بیوالكترونیك را داشته باشند.

نویسنده: رضا رضایی