对蛋白质形成原理的研究将导致“电子脑”的产生
作者: Chappell Brown
虽然看上去生物学离半导体的日常业务相去甚远,但是实际上它已经与集成电路行业建立了深刻的联系。数字电路结构已经成为了二十一世纪不可阻挡的技术力量,就像蒸气机改变了十九世纪的社会一样。而一个经常被遗忘的事实是,上个世纪五十年代和六十年代设计的数字电路曾经受到了神经系统运行原理的极大启发。
这种最初被人们称作“电子脑”的机器已经得到“进化”并开始在一些发达国家“繁殖”,虽然实现真正的人工智能、人造生命和独立的类人机器人看上去并不现实,但是发明家和研究人员仍然在进行不断的尝试。在尝试的过程中,他们已经建立了一个无所不在的电子系统,这些系统之间通过通信网络建立了越来越紧密的联系,从而给无机的工业世界带来了一个“神经系统”。
上面的关于生物进化和繁殖的隐喻可能太过引人注目了,但这也正好说明了支持前途光明的新兴生物微机电(BioMEMS)技术的理由。作为硅芯片技术和生物机体基本分子组成过程的综合,生物微机电有望超越比喻而真正实现有机过程与电子线路的融合。
幻想家正在讨论如何通过混合带有计算系统的原子尺度的分子生物来制造一个真正的称为生物纳米机械系统(BioNEMS)的混合物,并认为它将成为推动纳米技术的主要动力。但是在近期,许多小型生物技术公司和某些主要的半导体制造商已经将基于生物微机电的产品推向了市场。
潜在的市场以及业界研究生物微机电的目的都不是特别明确。大多数的主要半导体公司进行其研究的目的主要是进行DNA分析,但是却没有实际的产品化行动。摩托罗拉早在1998年就开始了对生物微机电的研究,并计划在2000年推出一个名叫Codelink的DNA分析系统。后来由于公司改组,摩托罗拉暂停了上述计划,并将Codelink小组以及产品产权卖给了一家英国公司。当时,摩托罗拉的CEO Christopher B Galvin称,他仍然认为该领域非常重要,但是公司不得不将主要力量集中于核心技术上。
尽管在半导体市场上占据了强势地位,摩托罗拉仍然保持介入该领域并计划推出第二个称为eSensor DNA Detection System的DNA分析系统。它的工作方式也很重要:生物阵列(bioarray)运用DNA杂交来驱动阵列上的电路的形成,而一个闭合电路就代表着一个特定的DNA链,这也许就是真正的生物电路的先驱。
最近,英特尔公布了其致力于生物医学微机电器件(BioMEMS)技术研究的一个12人实验室,而IBM也至少有一个位于的研究中心在从事该领域的研究。IBM已经承诺将投入更多的力量进行DNA分析软件的开发,因为DNA分析软件本身就是一个大问题。事实上,由于科学研究组可以通过软件整理在基因排序项目中产生的巨大的数据库资料,这极大地促进了DNA研究的进展速度。
然而DNA分析仅仅是生物学研究阶梯上的第一个环节,如果不知道DNA信息是怎样被转变成蛋白质的,同样会限制技术的使用。DNA检测有许多可能的应用领域:如,通过基因缺陷诊断疾病,从而进行药物设计和病人监控等——还有很多其它应用,但是涉及到一个比DNA研究更大的领域。
生物阶梯上的下一个环节是研究蛋白质是如何形成和工作的
在生物阶梯上的下一个环节就是“蛋白质组学(proteomics)”,它研究的是蛋白质是如何形成和工作的。基于lock-and-key粘结方法,DNA具有某些机械能力,但是蛋白质才是生物机体的物理构建模块以及基本的机械单位。
DNA是线性链,而蛋白质则是三维形态存在,这种三维形态非常复杂,以至于需要用超级计算机来分析它们的物理和化学功能。
如果在蛋白质组学里的生物微机电研究能够达到在DNA领域同样的研究水平,那么一个真正爆炸性的技术就将产生了。但是要达到那样的水平,实验室还需要研究多得多的生物技术。
意法半导体在这一方面做出了认真的努力。它在意大利卡塔尼亚的实验室正在研究多项超过现在生物微机电的专门技术。
在过去的六个月里,该实验室已经发布了一个破纪录的硅LED,一个DNA分析芯片和一个可以提高太阳能电池性能的蛋白质薄膜。
需要专门技术
意法公司正试图将一大批专门技术应用于诸如硅光电子学、生物电子学和纳米有机物等领域,以求逐步实现下一代技术。据其实验室主任Salvo Coffa表示,该实验室也将对蛋白质组进行研究。他认为,毫无疑问的,蛋白质组将是一个高速发展的领域。
对所有希望在该领域有所建树的人来说,另一个挑战在于如何整合来自各种不同领域的专家和技术。据Coffa称,不仅他的实验室需要涉及电子学、材料学、生物工程学和有机化学等众多专门技术,而且目标应用领域也是高度专业化的。
“这就像半导体工业刚开始的情况一样,为了设计和制造出一个电路,你不得不拥有所有的专门技术。”他解释道。
现在,先进的计算机系统被用来完成一个电路的大多数设计工作,并且这种设计可以被用来在许多晶圆厂的生产线上生产芯片。但是在最初的时候,电路设计师、化学家和硅晶体培育专家必须在同一个项目里共同工作,才能获得上述结果。
为了获得足够多种类的专门技术以完成一个产品开发项目,意法公司必须与许多生物技术公司合作。研究过程中涉及的技术覆盖了从DNA编码的基因到基因所产生的复杂的蛋白质。
目前,在这类工作中所使用的主要是传统的大尺寸生物工程设备,这就为人们提供了一个将设备缩小到芯片级的机会。通过基因组产生的蛋白质不仅仅数量多,而且其行为和结构复杂,因此其生产过程的控制系统可能出现变异,并可能产生出从单个DNA编码到各类蛋白质的多种东西。
对临床应用来说,主要问题在于如何发现能产生给定蛋白质的基因,或者如何将健康人的蛋白质断面与病人的相比较。要高效的解决上述问题,则必须依靠结合了生物微机电技术和先进生物信息软件的大规模化学分析方法。
许多初创公司都希望借助于能够进行完全分析的单系统来进入该领域。但是要想成功,则还需要半导体MEMS技术以及其它许多晦涩难懂的专用技术。
这种临床诊断系统仅仅是一个起点。自动蛋白质组系统将能够制造具有预定属性的蛋白质复合物。研究如何将金属和半导体纳米簇附着在蛋白质上是一个例子。你可以想象一下,一个由复杂的半导体器件所构造的,可以创造出蛋白质簇的生物阵列-—这是由生物微机电技术所模拟的一个布满芯片的晶圆。
根据历史来推测,现在的主要半导体公司未必能够带来上述生物医学微机电技术的革命。当初Fairchild Camera & Instrument公司也并不欣赏由Gordon Moore 和Robert Noyce所发明的将各种不同的电子功能集成到一个基片上的技术,于是这两个人只好自己干并且由此成为半导体革命的开路人。到2020年的时候,我们又会有怎样的关于BioMEMS革命的故事呢？
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