Científicos convierten ADN en un dispositivo de memoria que utiliza 100 veces menos energía

El ADN ha sido reconocido tradicionalmente como el plano genético de todos los organismos vivos, pero también se ha descubierto que es una forma excepcionalmente densa de almacenar información. Un solo gramo de ADN puede contener aproximadamente 215 millones de gigabytes de datos. Aprovechar esta capacidad de almacenamiento extraordinaria en la electrónica podría llevar a centros de datos más eficientes, procesamiento más rápido y sistemas capaces de manejar información cada vez más compleja.

El desafío radicó en encontrar una manera de hacer que el ADN biológico funcione eficazmente junto a los materiales electrónicos. Un equipo de investigadores de Penn State desarrolló un enfoque destinado a superar esa incompatibilidad. La investigación, publicada en Advanced Functional Materials, se basa en dos componentes clave: ADN sintético, creado a partir de moléculas químicamente diseñadas y un semiconductor llamado perovskita cristalina, utilizado en tecnologías como celdas solares y dispositivos de almacenamiento de datos.

"La biología y la electrónica son dominios diferentes", afirmó Kavya S. Keremane, coautora y postdoctoranda en ingeniería de materiales en Penn State. "Unir estos dos campos requirió desarrollar una plataforma de materiales completamente nueva que les permita funcionar sin problemas juntos. Al combinar las capacidades de almacenamiento de información del ADN con las excepcionales propiedades electrónicas de los semiconductores de perovskita, creamos un sistema bio-híbrido que cambia fundamentalmente el diseño de los dispositivos de memoria de bajo consumo".

Utilizando estos materiales, el equipo creó un resistor de memoria, conocido como "memristor", que opera con muy poca energía. A diferencia de los resistores comunes, que mantienen una resistencia estable y pierden la información almacenada cuando se corta la energía, los memristores pueden recordar la dirección en la que fluyó la corriente incluso después de que se retira la fuente de energía. Esta capacidad permite que la información se almacene y procese en el mismo lugar, similar a cómo funcionan las neuronas en el cerebro.

Sin embargo, los investigadores advierten que los sistemas comerciales prácticos aún necesitarían suficiente capacidad de almacenamiento y energía eléctrica, lo que podría resultar costoso e ineficiente sin la capacidad del ADN para empaquetar grandes cantidades de información en un espacio reducido mientras consume poca energía.

"A medida que la demanda de inteligencia artificial (IA) crece, necesitamos una nueva estrategia para dispositivos de bajo consumo y alta capacidad de almacenamiento", indicó Bed Poudel, coautor y profesor de investigación en ingeniería de materiales en Penn State. Poudel mencionó que se espera que la IA y otras tecnologías emergentes dependan cada vez más de la computación neuromórfica, diseñada para operar de manera más similar al cerebro humano, evaluando múltiples entradas al mismo tiempo mientras toma decisiones informadas por experiencias pasadas y prioridades futuras.

El equipo también explicó que, mientras que generalmente se requiere más energía para almacenar más información, su dispositivo consume 100 veces menos energía y tiene una capacidad de almacenamiento superior a la de los dispositivos tradicionales, como las unidades flash.

Para construir el dispositivo, los investigadores añadieron nanopartículas de plata a una capa de secuencias de ADN personalizadas, integradas con películas delgadas de perovskita. Esta técnica, llamada "dopaje", implica introducir una pequeña cantidad de otro material para producir propiedades específicas. En este caso, la adición de nanopartículas de plata permitió que el ADN condujera electricidad y ayudara a alinear sus unidades moleculares de manera más ordenada.

El ADN sintético ofreció otra ventaja importante sobre el ADN natural. A diferencia del ADN natural, que son largas hebras enredadas, las piezas cortas y rígidas de ADN sintético pueden organizarse con mucha mayor precisión a escalas extremadamente pequeñas. Según Neela H. Yennawar, coautora y profesora de investigación en Penn State, el ADN diseñado molecularmente puede proporcionar organización estructural, conductividad eléctrica ajustable y control funcional que el ADN natural no puede lograr al incorporarse en películas delgadas.

Cuando se combinaron, el ADN dopado con plata y la perovskita formaron vías bio-híbridas que dirigieron el flujo de corriente eléctrica a través del dispositivo. Los investigadores encontraron que los electrones se movían de manera confiable al aplicar menos de 0.1 voltios, en comparación con los 120 voltios de los enchufes estándar en EE. UU., y el dispositivo respondía de manera predecible cuando se cambiaba la dirección de la corriente.

Las estructuras de ADN cuidadosamente diseñadas, junto con la perovskita, también contribuyeron a que el dispositivo fuera inusualmente estable, operando consistentemente a temperaturas cercanas a 250 grados Fahrenheit y manteniendo su funcionalidad a temperatura ambiente durante más de seis semanas, superando significativamente los estándares de rendimiento de los dispositivos de almacenamiento de memoria basados en perovskita existentes.

El equipo ahora planea mejorar la tecnología y explorar usos adicionales para sistemas electrónicos bioinspirados. "La naturaleza tiene la solución; solo tenemos que encontrarla y aplicarla", concluyó Poudel.