该系统结合生物离子通道和固态晶体管，创造一种新型的电子器件 

研究人员首次通过ATP和生命系统中分子机构来驱动集成电路，ATP是生命的能量货币。他们通过结合传统的固态互补金属氧化物半导体集成电路和包含ATP驱动离子泵的人工脂质双分子层膜，有望创建全新的包含生物和固态组件的人造系统。

哥伦比亚大学工程研究人员们首次通过三磷酸腺苷(ATP)和生命系统的分子机构来驱动集成电路，ATP是生命的能量货币。他们通过结合传统的固态互补金属-氧化物-半导体集成电路和包含ATP驱动离子泵的人工脂质双分子层膜，有望创建全新的包含生物和固态组件的人造系统。这项研究由哥伦比亚大学电气工程兼生物医学工程教授工程Ken Shepard领导，成果发表在12月7日的《Nature Communications》。

附加到CMOS集成电路的包含钠钾泵膜的生物细胞示意图

(图片来源：哥伦比亚大学工程学院Trevor Finney和Jared Roseman)

“结合具有CMOS的生物电子设备，我们将能够创造其他技术不能实现的新系统，”Shepard说。“我们正兴奋地期待着扩展有源器件的领域，使其具有新的功能，像在这里所做的，从ATP获得能量或者识别特定分子，使芯片具有味觉和嗅觉的潜力。对我们来说，这是一个相当独特的新方向，与生物组分相结合拥有巨大的潜力，可为固态系统提供新的功能”。

在开发设计固态系统结合生物系统的方面，Shepard实验室处于领先位置，他表示尽管其具有压倒性的成功，但CMOS固体电子器件无法复制某些自然的生命系统功能，如味觉和嗅觉以及生物化学能的使用。生命系统能够实现这一功能，是通过利用脂质膜及离子通道和泵，作为一种“生物的晶体管”。它们以离子形式使用电荷来携带能量和信息，离子通道控制穿过细胞膜的离子流动。像计算机和通讯设备一样的固态系统使用电子，其电子信号和功率通过场效应晶体管控制。

在生命系统中，能量存储穿过脂质膜的电位差，在这种情况通过离子泵产生。ATP被用来运输能量，从生成的位置到在细胞中消耗的位置。为了建立他们的混合动力系统原型，由博士生Jared Roseman领导的Shepard团队，利用ATP捕获生物细胞包装的CMOS集成电路(IC)。对于ATP，该系统注入离子穿过膜，产生IC可捕获的电势。

“我们制作了该系统约数毫米的宏观样式，观察其是否有效，”Shepard指出。“我们的研究结果为广义电路模型提供了新的见解，通过这些离子泵的作用，使我们能够确定利用化学能效率的最大化条件。现在，我们将会尝试如何缩小该系统。”

尽管其他研究组织已从生命系统中收获能量，Shepard和他的研究团队正在探索如何在分子尺度上做这件事，只隔离出所需的功能并与电子器件相关联。“我们不需要整个细胞，”他解释说。“我们只想得到所需要的细胞组分。对于这个项目，我们隔离了三磷酸腺苷酶，因为它们是会提取ATP能量的蛋白质。”

能够建立一种结合固体电子器件能量和生物组分能力的系统会具有很大的潜力。“现在你需要一只能嗅出炸弹的犬，但如果你能得到它的有用部分-用于传感的分子-我们就不需要整个动物，”Shepard说。

“按照适当的比例，该技术可以在如活细胞内部的富ATP环境下，为植入系统提供能量，”Roseman补充说。

新材料在线编译整理——翻译：Grubby      校正：摩天轮