Uma equipe do Silklab da Universidade Tufts desenvolveu transistores usando biosilk como material isolante, permitindo-lhe interagir com o meio ambiente como um tecido vivo. Esses transistores híbridos podem detectar uma variedade de substâncias e condições, revolucionando potencialmente o monitoramento e a computação da saúde. Ao alterar a composição iônica do isolador de seda, esses transistores podem processar informações variáveis, semelhante à computação analógica. Este avanço na tecnologia de microprocessadores pode levar a microprocessadores de autotreinamento e a novas interfaces entre eletrônica e biologia.
Transistores em escala de microprocessador podem detectar e responder a estados e ambientes biológicos. O chip microprocessador do seu telefone provavelmente contém mais de 15 bilhões de minúsculos transistores. Os transistores são feitos de metais como silício, ouro e cobre, e isoladores que trabalham juntos para receber corrente elétrica e convertê-la em uns e zeros para transmitir e armazenar informações. Os materiais do transistor são materiais inorgânicos, basicamente derivados de rochas e metais.
Mas e se estes componentes electrónicos básicos pudessem ser parcialmente biológicos, capazes de responder directamente ao seu ambiente e mudar como tecido vivo? Uma equipe do Silklab da Universidade Tufts fez exatamente isso, criando transistores usando seda biológica em vez de materiais isolantes. Recentemente, eles relataram suas descobertas na revista científica Advanced Materials.
Celulose de seda – As proteínas estruturais das fibras de seda podem ser depositadas com precisão em superfícies e facilmente modificadas com outras moléculas químicas e biológicas para alterar as suas propriedades. A seda funcionalizada desta forma pode captar e detectar uma variedade de componentes do corpo humano ou do ambiente.
Avanços em equipamentos de monitoramento de saúde
A primeira demonstração da equipe de um protótipo de dispositivo usa transistores híbridos para criar um sensor de respiração altamente sensível e ultrarrápido que pode detectar mudanças na umidade. Melhorias adicionais na camada de seda poderiam permitir que dispositivos detectassem certas doenças cardiovasculares e pulmonares, bem como apnéia do sono, ou capturassem níveis de dióxido de carbono e outros gases e moléculas na respiração para fornecer informações de diagnóstico. Se usados com plasma, eles têm o potencial de fornecer informações sobre oxigenação e níveis de glicose, anticorpos circulantes e muito mais.
Antes de desenvolver transistores híbridos, o laboratório SilkLab liderado por Frank C. Doble, professor de engenharia Fiorenzo Omenetto, usou celulose para criar tintas bioativas para tecidos que podem detectar mudanças no ambiente ou no corpo, detectando tatuagens que podem ser colocadas sob a pele ou nos dentes para monitorar a saúde e a dieta, e sensores que podem ser impressos em qualquer superfície para detectar patógenos como o coronavírus que causa o COVID-19.
Um transistor é um interruptor elétrico simples com um fio de metal dentro e outro fora. Entre os fios está um material semicondutor, assim chamado porque não pode conduzir eletricidade a menos que seja persuadido. Outra fonte de entrada de elétrons, chamada “porta”, é separada por um isolador. A porta é a “chave” que liga e desliga o transistor. Quando uma tensão limite (vamos chamá-la de “1”) cria um campo elétrico através de um isolador, ela desencadeia um estado de condução, fazendo com que o movimento dos elétrons no semicondutor comece a fluir através do fio.
No transistor biohíbrido, a camada de seda é usada como isolante e, ao absorver água, atua como um gel, carregando os íons (moléculas carregadas) em seu interior. O portão desencadeia um estado condutivo ao reorganizar os íons na sericina. Ao alterar a composição iônica da seda, o estado operacional do transistor muda, permitindo que ele seja acionado por qualquer valor de porta entre 0 e 1.
O futuro da convergência da computação e da biologia
“Você pode imaginar a criação de circuitos que podem explorar informações que não podem ser representadas pelos níveis binários discretos usados na computação digital, mas podem processar informações variáveis como a computação analógica, onde as mudanças são causadas pela alteração da composição dentro do isolador de seda”, disse Omenetto. "Isso abre a possibilidade de introdução da biologia na computação em microprocessadores modernos. É claro que o computador biológico mais poderoso conhecido é o cérebro, que processa informações por meio de sinais químicos e elétricos em graus variados."
O desafio técnico na criação de biotransistores híbridos é conseguir o processamento da seda em nanoescala, tão pequena quanto 10 nanômetros ou menos de 1/10.000 do diâmetro de um fio de cabelo humano. "Depois de conseguir isso, agora podemos fabricar transistores híbridos usando o mesmo processo de fabricação da fabricação comercial de chips. Isso significa que podemos fabricar um bilhão desses transistores com nossas capacidades atuais", disse Beom Joon Kim, pesquisador de pós-doutorado na Escola de Engenharia.
Permitir que milhares de milhões de nós de transístores reconfigurem as suas ligações através de processos biológicos em seda poderia criar microprocessadores como as redes neurais utilizadas na inteligência artificial. “No futuro, poderíamos imaginar que os circuitos integrados poderiam treinar-se para responder aos sinais ambientais e gravar memórias diretamente em transistores, em vez de enviá-los para uma memória separada”, disse Omenetto.
Dispositivos que detectem e respondam a estados biológicos mais complexos, bem como simulações em larga escala e computação neuromórfica, ainda não foram desenvolvidos. Omenetto está otimista quanto às oportunidades futuras. Ele disse: "Isso abre novas ideias na interface entre a eletrônica e a biologia, e haverá muitas descobertas e aplicações básicas importantes no futuro."