27.4.2007.

Jednoćelijski Spirostomumi su mali braonkasti crvići koji mogu svoje 500 mikrometara dugo telo da smanje za 25 procenata za samo 1 milisekundu, što ove protozoe čini najbržim poznatim mikroorganizmima. Naučnici su sve više skloni da ove i slične mikroorganizme posmatraju kao male funkcionalne mašinice. Štaviše, mnogi od njih kriju zapanjujuće sposobnosti koje će naći svoje mesto u MEMS (Microelectromechanical Systems) tehnologiji.

U pokušajima naučnika da stvore mikronske mašine, integracija mikroorganizama u MEMS, stvarajući tako "biotičke MEMS–ove", predstavlja sami usijani epicentar savreme nauke. Trenutno, straživač iz "Intela" Xiaorong Xiong, mikrobiolog Mary Lidstrom i elektroinženjer Babak Parviz (oboje sa Univerziteta Washington), poseduju katalog velikog broja mikroorganizama za koje veruju da najviše obećavaju u različitim oblastima MEMS sistema. Ovi istraživači su pokazali da mnogi od tih organizama poseduju sposobnosti koje prevazilaze trenutne limite MEMS tehnologije.

Prema načinu njihovog budućeg korišćenja, naučnici su sve navedene mikroorganizme klasifikovali u 4 kategorije: za sintetizovanje materijala, za precizno struktuiranje, kao funkcionalne uređaje i one koje je moguće integrisati u kontrolisane sisteme. Svi proučavani organizmi su manji od 1 milimetra i poseduju jednu ili tek nekoliko ćelija.

Kako su do sada istraživači utvrdili, mikroorganizmi imaju sposobnost da sintetišu najmanje 64 neorganska materijala koja se koriste u MEMS tehnologiji, u procesu koji se naziva biomineralizacija. Naučnici imaju fosilne dokaze da su ti procesi postojali još pre 700 miliona godina. Uz metode genetskog modifikovanja, stručnjaci se nadaju da će ovi organizmi moći za njih da stvaraju MEMS materijale, kao što su silicijum–dioksid, biogenički kalciti i magneti.

Naprimer, magnetičke bakterije prirodno sintetišu magnetozomne kristale, koji se u bakterijama ponašaju kao magnetne igle i koji se orijentišu u pravcu Zemljinog magnetnog polja. Takve bakterije uvek plivaju u istom pravcu i okupljaju se na određenim mestima, što zavisi od hemisfere, očigledno kontrolisane spoljnjim magnetnim poljem. Pre par godina prof. Ajdačić mi je pričao veoma interesantne priče baš o ovoj vrsti bakterija.

Ako se uporedi sa konvencionalnim MEMS metodama sintetizovanja, koji često podrazumevaju visoke temperature, otrovne gasove, vakuum i plazmu, mikroorganizmi to rade na sobnoj temperaturi, u vodenim rastvorima sa skoro neutralnim pH.

Neki drugi organizmi mogu da stvaraju veoma zamršene strukture – kao što su zlatni ili srebrni kristali – koristeći jednostavnije procese od konvencionalnih fotolitografskih sistema. Takve strukture mogu da rastu trodimenzionalno i da se modifikuju nano–preciznošću. Mikroorganizmi mogu čak da stvaraju strukture koje su nekoliko redova veličine veći od njih samih, nudeći tako mogućnost da se povežu i sa makroskopskim svetom. Naučnici su otkrili da spikule jedne vrste dubinskih sunđera pokazuju fantastična fiber–optička svojstva.

Dalje, postoji jedna grupa mikroorganizama – kao što je i skupljajući Spirostomum – koje naučnici posmatraju kao prave funkcionalne uređaje. Jedna od oblasti u kojoj najviše očekuju od njih jeste njihova upotreba u svojstvu hemijskih i bioloških senzora, budući da ih je moguće selektovati da reaguju samo na određene agense. Neki od ovih organizama se već ispituju u oblasti nadzora kvaliteta hrane i životne sredine.

Neki drugi mikroorganizmi su u stanju da hemijsku energiju konvertuju u mehaničku silu, kao određene bakterije koje se ponašaju kao samostojeći propeleri. Neke mogu da pretvaraju hemijsku energiju u elektricitet, poput "Microbial Fuel Cells", koje mogu da pokreću robote i biološke uređaje, ili da ekonomičnije proizvode vodonik. Biotičke MEMS ćelije za gorivo mogu da eliminišu teški zadatak proizvodnje i ugrađivanja malih konvencionalnih baterija u MEMS uređaje.

Mada MEMS tehnologija ima velikog uspeha u stvaranju pojedinačnih uređaja, mnogo veći izazov za naučnike predstavlja mogućnost njihovog integrisanja u kontrolisane sisteme mikronskih dimenzija. Ako naučnici nauče kako da rukuju sa njima, mikroorganizmi imaju jedinstvene mogućnosti kao složeni funkcionalni sistemi, naročito ako se povežu sa mikroelektričnim uređajuma. Sada naučnici istražuju njihovo povezivanje sa malo većim organizmima, kao što je recimo implantiranje elektroda u mozak bubašvaba da bi se kontrolisalo njihovo kretanje, ili implantiranje u mozak pacova kako bi mogli daljinskim prenošenjem signala iz mozga da kontrolišu određene spoljnje uređaje.

Iako fascinantan, ovaj posao povezivanja zahteva dalje proučavanje mikroorganizama, a elektronika mora i dalje da nastavi sa minijaturizacijom. Naučnici predviđaju da mogućnost povezivanja sa mikronskim robotima – t.j. sa mikroorganizmima koji obavljaju svoje zadatke – predstavlja značajan potencijal za biotičke MEMS–ove.

"Naša sposobnost da manipulišemo tako malim organizmima i stvaramo platforme koje je moguće povezati sa samo jednom ćelijom je nešto zaista novo," kaže Parviz. "Ostaje nam da vidimo kako će naučnici da iskoriste te nove mogućnosti."

Xiong, Xiaorong, Lidstrom, Mary E., and Parviz, Babak A. “Microorganisms for MEMS.” Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 16, No. 2, April 2007.

AM Index