Nội dung

Những vi sinh vật xây mạch tích hợp. Với virút đóng vai đội quân xây dựng 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 người 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 làm bằng chất bán dẫn tinh thể, biết định vị và nối liền hai điện cực. Như vậy, đây chính là phần 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: Sản 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 được các cấu trúc phân tử phức tạp nhất mà khoa học đã từng biết tới. Lợi dụng sự chọn lọc tự nhiên qua nhiều niên đại, 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. Dưới sự điều khiển của các gen được mã hoá trong ADN, tế bào tạo 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 lắp 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 của một chất bán dẫn. Trong các dự án đang tiến hành, các nhà khoa học sử dụng các prôtein và ADN để kiến 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 - một 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 của 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 xử lý thông tin. Hầu hết các nhà khoa học 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. Nhằm 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 nhận 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 mà 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 hiện ra những peptit cần thiết thông qua việc hợp tác với New England