Un equipo del Silklab de la Universidad de Tufts ha desarrollado transistores utilizando bioseda como material aislante, lo que le permite interactuar con el medio ambiente como tejido vivo. Estos transistores híbridos pueden detectar una variedad de sustancias y condiciones, revolucionando potencialmente la monitorización de la salud y la informática. Al cambiar la composición iónica del aislante de seda, estos transistores pueden procesar información variable, de forma similar a la computación analógica. Este avance en la tecnología de microprocesadores podría conducir a microprocesadores autodidactables y a nuevas interfaces entre la electrónica y la biología.
Los transistores a escala de microprocesador pueden detectar y responder a estados y entornos biológicos. El chip microprocesador de su teléfono probablemente contenga más de 15 mil millones de pequeños transistores. Los transistores están hechos de metales como silicio, oro y cobre, y aislantes que trabajan juntos para recibir corriente eléctrica y convertirla en unos y ceros para transmitir y almacenar información. Los materiales de los transistores son materiales inorgánicos, derivados básicamente de rocas y metales.
Pero ¿qué pasaría si estos componentes electrónicos básicos pudieran hacerse parcialmente biológicos, capaces de responder directamente a su entorno y cambiar como tejido vivo? Un equipo del Silklab de la Universidad de Tufts hizo precisamente eso: creó transistores utilizando seda biológica en lugar de materiales aislantes. Recientemente informaron sus hallazgos en la revista científica Advanced Materials.
Celulosa de seda: las proteínas estructurales de las fibras de seda pueden depositarse con precisión en las superficies y modificarse fácilmente con otras moléculas químicas y biológicas para cambiar sus propiedades. La seda funcionalizada de esta manera puede captar y detectar una variedad de componentes del cuerpo humano o del medio ambiente.
Avances en equipos de vigilancia de la salud
La primera demostración del equipo de un dispositivo prototipo utiliza transistores híbridos para crear un sensor de respiración ultrarrápido y altamente sensible que puede detectar cambios en la humedad. Mejoras adicionales en la capa de seda podrían permitir que los dispositivos detecten ciertas enfermedades cardiovasculares y pulmonares, así como la apnea del sueño, o capturen niveles de dióxido de carbono y otros gases y moléculas en la respiración para proporcionar información de diagnóstico. Si se usan con plasma, tienen el potencial de proporcionar información sobre la oxigenación y los niveles de glucosa, anticuerpos circulantes y más.
Antes de desarrollar transistores híbridos, el laboratorio SilkLab dirigido por el profesor de ingeniería Frank C. Doble, Fiorenzo Omenetto, utilizó celulosa para crear tintas bioactivas para telas que pueden detectar cambios en el medio ambiente o el cuerpo, detectando tatuajes que se pueden colocar debajo de la piel o en los dientes para monitorear la salud y la dieta, y sensores que se pueden imprimir en cualquier superficie para detectar patógenos como el coronavirus que causa el COVID-19.
Un transistor es un interruptor eléctrico simple con un cable de metal hacia adentro y otro hacia afuera. Entre los cables hay un material semiconductor, llamado así porque no puede conducir electricidad a menos que sea persuadido. Otra fuente de entrada de electrones, llamada "puerta", está separada por un aislante. La puerta es la "llave" que enciende y apaga el transistor. Cuando un voltaje umbral (llamémoslo "1") crea un campo eléctrico a través de un aislante, desencadena un estado de conducción, lo que hace que el movimiento de los electrones en el semiconductor comience a fluir a través del cable.
En el transistor biohíbrido, la capa de seda se utiliza como aislante y, cuando absorbe agua, actúa como un gel, transportando los iones (moléculas cargadas) en su interior. La puerta desencadena un estado conductor al reorganizar los iones en la sericina. Al cambiar la composición iónica de la seda, el estado operativo del transistor cambia, lo que permite que se active con cualquier valor de puerta entre 0 y 1.
El futuro de la convergencia de la informática y la biología
"Se puede imaginar la creación de circuitos que puedan explotar información que no puede ser representada por los niveles binarios discretos utilizados en la computación digital, pero que pueden procesar información variable como la computación analógica, donde los cambios son causados por el cambio de la composición dentro del aislante de seda", dijo Omenetto. "Esto abre la posibilidad de introducir la biología en la informática mediante microprocesadores modernos. Naturalmente, el ordenador biológico más potente que se conoce es el cerebro, que procesa información a través de señales químicas y eléctricas en distintos grados".
El desafío técnico en la creación de biotransistores híbridos es lograr un procesamiento de seda a nanoescala, tan pequeña como 10 nanómetros o menos de 1/10.000 del diámetro de un cabello humano. "Después de lograr esto, ahora podemos fabricar transistores híbridos utilizando el mismo proceso de fabricación que la fabricación de chips comerciales. Esto significa que podemos fabricar mil millones de estos transistores con nuestras capacidades actuales", dijo Beom Joon Kim, investigador postdoctoral en la Escuela de Ingeniería.
Permitir que miles de millones de nodos de transistores reconfiguren sus conexiones a través de procesos biológicos en la seda podría crear microprocesadores como las redes neuronales utilizadas en la inteligencia artificial. "En el futuro, podríamos imaginar que los circuitos integrados podrían entrenarse a sí mismos para responder a señales ambientales y registrar memorias directamente en transistores, en lugar de enviarlas a una memoria separada", dijo Omenetto.
Aún están por desarrollarse dispositivos que detecten y respondan a estados biológicos más complejos, así como simulaciones a gran escala y computación neuromórfica. Omenetto se muestra optimista sobre las oportunidades futuras. Dijo: "Esto abre nuevas ideas en la interfaz entre la electrónica y la biología, y habrá muchos descubrimientos y aplicaciones básicos importantes en el futuro".