研究结合DNA折纸和光刻技术向分子计算机更近了一步

分子计算机组件可能代表一场新的IT革命，帮助我们创造更便宜、更快、更小、更强大的计算机。然而，研究人员正在努力寻找更可靠、更高效地组装它们的方法。

为了帮助实现这一目标，捷克科学院物理研究所的科学家们基于自然进化磨练的解决方案并利用与当前芯片制造的协同作用，研究了分子机器自组装的可能性。

当前硅基计算机芯片的小型化受到限制。使用单分子大小的开关和存储器的分子电子学可以在计算机的尺寸、速度和功能方面带来一场革命，同时减少不断增加的功耗，但它们的大规模生产是一个挑战。大规模、低缺陷、易于实现的纳米制造和组件组装仍然难以实现。来自生物界的灵感可能会改变这种现状。

目前，由几个分子组成的分子电路的小型原型正在通过扫描探针显微镜生产，扫描探针显微镜通过缓慢而沉重的宏观悬臂梁一次操纵一个分​​子。

领导这项研究并发表在ACSNano上的普罗科普·哈帕拉(ProkopHapala)将其比作使用巨型起重机一次一块瓷砖地建造精致的马赛克。自组装可以解决这个问题，但它也带来了其他挑战。例如，当只能将少量结构信息编码为几个功能组之间的相互作用时，我们如何产生各种结构?

捷克科学院物理研究所的研究人员从大自然中获得灵感，其中功能和结构成分在DNA或RNA等聚合物模板中解耦。在那里，糖磷酸盐代表支架，核碱基通过氢键连接，提供信息存储。

由于这些键，这些信息聚合物可以自组装成复杂的形状，并驱动其他较小分子的自我复制或合成。这种方法已经被用于“DNA折纸”，它可以产生具有所需形状和功能的复杂分子。但我们如何才能扩大流程并实现更多的多样性呢?

“已知的DNA碱基对——人们天真地认为是最好的选择——不能按原样使用，”作者之一保罗·尼科利尼(PaoloNicolini)解释道。“它们在细胞中工作得很好，但这是由于环境和细胞机器的其余部分造成的。在与纳米制造兼容的条件下，它们根本没有足够的选择性。”

MithunManikandan、PaoloNicolini和ProkopHapala决定将DNA折纸和光刻技术提供的可能性结合起来，设计出当代芯片的复杂结构。这可以为大规模生产与当代芯片制造技术集成的革命性分子电路铺平道路，从而可以实现从当前计算机机器平稳过渡到下一个水平。

为了实现这一点，研究人员建议用光敏丁二炔取代糖磷酸酯主链。他们使用详细的模拟来筛选互补的氢键端基，这些端基将在芯片生产中使用的条件下驱动晶格上的自组装。

丁二炔衍生物被用作主链，因为当通过紫外线或电子注入引发时，它们可以在这些条件下有效聚合，并且在计算机中研究了类似于DNA/RNA碱基(遗传密码的“字母”)的单元作为端基驱动组件组装成预期的形状。

我们的目标是找到互补对，其中两个单元可靠地彼此结合，而不是与其他单元结合——这一特性再次类似于DNA的工作原理，将能够创建确定性的复杂电路模式。研究人员发现含有纯氢供体端基的单元特别合适。发现了十六个有前途的候选单元，为实验研究和最终的行业应用铺平了道路。

这些结果对于DNA计算和人工DNA类似物具有有趣的意义。筛选中发现的最可行的四字母字母表出现在结合能15−25kcal/mol的非常狭窄的区域中，并且全部依赖于测试端基的一小部分。

虽然只有一小部分可能的字母空间可以被高精度地测试，但这表明DNA字母表可能不仅仅是“时间冻结的事故”的结果，而且可能是一个稳定且在能量上有利的选择。在测试空间中没​​有发现六个字母的字母表，但新的选择性机制和氢键以外的非共价键合(例如卤素键)可能会实现这些。以类似的方式，可以测试治疗和药物DNA类似物的可能性。

这项工作将进一步提高分子的合成可用性并克服实验限制。虽然我们大多数人可能是在依赖硅基晶体管的机器上阅读这篇文章，但我们很快就可以开始顺利过渡到部分使用分子纳米电子学的机器。这项工作代表着朝着这样的未来又迈出了一步。