DNA 作為所有生物體的遺傳藍圖，同時也是一種極其密集的資訊儲存方式。僅僅一克的 DNA 就可儲存約 2.15 億 GB 的資料。將這種卓越的儲存容量應用於電子設備，有望實現更有效率的資料中心、更快的處理速度以及能處理日益複雜資訊的系統。

然而，挑戰在於如何讓生物 DNA 與電子材料有效協同工作。賓州州立大學的研究人員現已開發出一種旨在克服這種不相容性的方法。

這項發表於《Advanced Functional Materials》並已申請專利的技術，依賴於兩個關鍵組件。一是合成 DNA，由市售的化學工程分子製成，排列成針對特定電子需求量身定制的短基因序列。二是鈣鈦礦，一種已用於太陽能電池、雷射和資料儲存設備等技術的半導體。

「生物學和電子學是不同的領域，」該研究的共同通訊作者、賓州州立大學材料科學與工程學系博士後研究員 Kavya S. Keremane 表示。「要連接這兩個領域，需要開發一個全新的材料平台，讓它們能夠無縫協同工作。透過結合 DNA 的資訊儲存能力與鈣鈦礦半導體的卓越電子特性，我們創造了一個生物混合系統，從根本上改變了低功耗記憶裝置的設計方式。」

利用這些材料，研究團隊創造了一種稱為「憶阻器」的記憶電阻器，其運作功耗極低。與普通電阻器不同，普通電阻器在從手機到太空梭的各種設備中維持固定的電流電阻，並且在斷電時會丟失儲存的資訊；而憶阻器則能保存先前電氣活動的記錄。即使移除電源後，它們也能記住電流先前流動的方向。

這種能力使得資訊可以在同一地點儲存和處理，類似於大腦中神經元的運作方式。這種結構可以支援更多同時且複雜的資料處理形式。然而，研究人員指出，實際的商業系統仍需要足夠的儲存容量和電力，否則將會變得昂貴且效率低下，而 DNA 能夠以極小的空間、極低的能耗打包海量資訊的能力，恰好解決了這個問題。

「隨著人工智慧（AI）需求的增長，我們需要一種新的低功耗、高儲存裝置策略，」共同通訊作者、賓州州立大學材料科學與工程學系研究教授 Bed Poudel 表示。

Poudel 表示，預計 AI 和其他新興技術將越來越依賴神經形態運算，這種運算旨在更像人類大腦一樣運作。這類系統可以在評估多個輸入的同時，根據先前的經驗和未來的優先事項做出決策。

「通常，儲存更多資訊需要消耗更多電力。然而，我們的裝置耗電量卻減少了 100 倍，且儲存容量比傳統儲存裝置（如隨身碟）更高。」

工程化 DNA 以導電

為了建構該裝置，研究人員將銀奈米粒子添加到一層客製化的 DNA 序列中——這些序列經過特殊設計，具有特定的組成和長度——並將其整合到鈣鈦礦薄膜中。

這種稱為「摻雜」的技術，涉及引入少量其他材料以產生特定性質。在此情況下，添加銀奈米粒子使 DNA 能夠導電，同時也有助於其分子單元以更有序的排列方式對齊。

與天然 DNA 相比，合成 DNA 提供了另一個重要的優勢。天然 DNA 是長而纏繞的鏈，處理時就像濕義大利麵一樣；而短而堅硬的合成 DNA 片段則可以在極小的尺度上以更高的精度進行排列。

共同作者、賓州州立大學生命科學赫克研究所生物分子互動核心設施的研究教授兼主任 Neela H. Yennawar 表示，分子工程化的 DNA 可以提供天然 DNA 在整合到薄膜中時無法實現的結構組織、可調的導電性以及功能控制。

「我們可以透過計算精確確定所需的序列及其長度，然後利用合成 DNA 合理地設計它們，」Yennawar 說。「這些結構可以系統性地摻雜銀和其他離子，並被工程化以與鈣鈦礦無縫連接——將 DNA 從生物大分子轉變為可程式化的、多功能的奈米材料平台。」

DNA 和鈣鈦礦協同作用更佳

結合後，摻雜銀的 DNA 和鈣鈦礦形成了生物混合通路，引導電流通過裝置。

研究人員發現，當施加的電壓低於 0.1 伏特時（作為比較，美國標準插座為 120 伏特），電子就能可靠地移動，並且在改變電流方向時，裝置的響應也是可預測的。

精心設計的 DNA 結構與鈣鈦礦的結合，也有助於提高裝置的穩定性。據研究團隊稱，該裝置在接近 250 華氏度（約 121 攝氏度）的溫度下仍能持續穩定運行，並在室溫下保持功能超過六週，遠遠超過現有鈣鈦礦基記憶儲存裝置的性能標準。

研究人員還報告稱，新系統能夠執行與同類技術相同的記憶功能，但功耗僅為其十分之一。這種效率水平對於未來需要處理大量資訊且對能源需求較低的電子設備設計來說，尤其具有吸引力。

「單獨使用 DNA 或鈣鈦礦，結果都不如兩者結合那樣穩健，」Keremane 說。「正是這種結合，實現了極高的記憶儲存密度，且功耗極低。」

生物啟發式電子學的新方向

該團隊現在計劃進一步改進這項技術，並探索生物啟發式電子系統的其他用途。

「大自然有解決方案——我們只需要找到並應用它，」Poudel 說。「這項將 DNA 整合到電子設備中以實現驚人功能的成果，讓我們得以一窺其潛力。」

除了 Keremane、Yennawar 和 Poudel 之外，賓州州立大學的其他共同作者還包括共同通訊作者、材料科學與工程學系博士後研究員 Luyao Zheng；材料科學與工程學系博士生 Haodong Wu；研究期間為材料科學與工程學系碩士生、現已畢業的 Jiamao Zheng；研究期間為材料科學與工程學系教授、現已離職的 Shashank Priya；以及研究期間為生命科學赫克研究所碩士生、現已畢業的 Chirisa C. Ravi。明尼蘇達大學化學工程與材料科學系的 Abhinav Gorthy 和共同通訊作者 Rashmi Jha 也做出了貢獻。

美國國家科學基金會、美國國立衛生研究院、賓州州立大學和明尼蘇達大學支持了這項研究。