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《中国科学家改造出高性能丝素蛋白材料，构建出迄今擦写速度最快的蛋白质基忆阻器》

  • 来源专题：中国科学院文献情报生命健康领域集成服务门户
  • 编译者： 赵若春
  • 发布时间：2020-04-02

  • 3月16日，中国厦门大学科学家成功改造了源于桑蚕丝的丝素蛋白材料，并构建出高性能、高稳定性、低能耗、可实用的蛋白质基忆阻器电子器件及人工神经突触。研究人员将银纳米簇组装到丝素蛋白介观网络（介观是介于微观与纳观之间的体系）中，极大地提升了丝素蛋白材料的电子学特性，可实现蛋白质基信息存储领域最快擦写速度，甚至可与顶级无机类材料忆阻器相媲美。研究人员表示，该成果对未来实现可植入生物电子传感与计算、活体内实时AI计算以及远程AI医疗等具有开创性意义。相关研究成果发表于《先进功能材料》期刊。

  • 原文来源：;https://www.cnbeta.com/articles/science/955751.htm
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相关报告

  • 《纳米黄金粒子“出手” 蚕丝变身超快蛋白质基忆阻器》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-03-17
    • 养蚕缫丝在我国历史悠久。作为一种古老的天然动物纤维，蚕丝包含纤维状蛋白质丝纤蛋白、无机物等成分，以其结构稳定、质量轻、质感柔、易翻新等特点，被广泛应用于家纺、医疗、美容等诸多领域。如今，科研人员尝试将常见的蚕丝制作成生物AI芯片植入人体内，让人工智能与大健康相结合。日前，发表在国际著名学术期刊《先进功能材料》上的一项成果，让这一梦想更近了一步。 　　这项成果来自国家特聘教授、相关人才计划刘向阳的厦门大学团队。该团队首次在国际上制备出具有革命性的丝素蛋白介观杂化材料，构建出高性能、高稳定性、低能耗的可实用的蚕丝杂化介观忆阻器及人工神经突触。 　　“该成果的突破，对未来实现可植入生物电子传感与计算、在体（在活体内)实时人工智能计算，以及远程人性化人工智能医疗等，具有开创性意义。”3月13日，刘向阳向记者透露，目前团队还将相关技术，进一步应用于开发高性能羊毛等全生物材料忆阻器，以及超性能全生物材料存算一体芯片。 　　蚕丝独特结构获科研人员“青睐” 　　随着大数据、人工智能的发展，人工智能芯片已经被广泛地应用于学习、识别和认知等领域，并逐渐成为引领社会进步的科技要素之一。但在如今的智能时代，数据计算复杂度以及能耗的迅速增加，工艺与材料加工的极限，使得传统的冯·诺依曼体系结构计算机遭遇空前挑战，也限制了深度学习神经网络的进一步发展。 　　当前，具有“存算一体”潜力的忆阻器，成为破解该瓶颈的重要技术。“忆阻器可以在关掉电源后，仍能‘记忆’通过的电荷。同时，基于模拟神经的网络的特点，忆阻器的运算模式、功耗、读写速度，都要比传统的运算与记存分开进行的模式，有着革命性的提升。这个特性与人脑神经突触的属性类似，可以帮助模拟人脑的特征，运用在人工智能等复杂、网络计算。”刘向阳介绍说。 　　“以往忆阻器、神经突触元件的制造，主要依托无机材料，如二氧化钛等，然而，这些材料存在难以降解、生物相容性差等问题。”为了迎合新时期信息电子器件在柔性可穿戴及体内可植入等领域的应用趋势，越来越多的有机蛋白质器件受到青睐。 　　至此，刘向阳团队瞄准了源于桑蚕丝的丝素蛋白材料。“该有机材料具有优异的力学性能、生物相容性，如果将来植入人体，还能可控降解，是构建蛋白质基电子器件的理想材料。”刘向阳也指出，现有的生物有机材料，由于缺少特有的电荷传输机制，在构建忆阻器时，存在电学循环稳定性极差、信息存储擦写速度慢及工作能耗高等问题，无法实际应用。 　　为了迎接这些挑战，刘向阳团队探索出了一条“全新路径”。“介观是介于微观与纳观之间的一种体系，而丝素蛋白材料是具有介观结构的软物质材料。通过介观结构优化设计，可创造出全新的蚕丝介观电子功能材料，实现丝素蛋白材料性能的革命性提升。”刘向阳说。 　　小小粒子使得蚕丝拥有超凡功能 　　经过长期的研究，刘向阳团队开发的蚕丝介观忆阻器及人工神经突触元件，取得了突破性的进展，与同类有机生物元器件相比，其速度是有机生物材料的上百倍，耗电只是最好的同类有机生物电子器件的十分之一，开关比达到1000，重复性、稳定性高。 　　那么，该成果取得巨大突破基于什么原理？有何奥秘？刘向阳告诉记者，蚕丝作为一种已有上千年历史的天然生物材料，具有特殊的介观网络多级结构，“奥秘”在于团队将白银或黄金纳米尺度大小的粒子簇，“镶嵌”在蚕丝丝素蛋白介观网络结构中，从而让蚕丝蛋白材料，具有“超凡”的功能。 　　“通过实验，我们发现一个有趣的现象，将银纳米簇组装到丝素蛋白介观网络中，这些银纳米簇形成了无数介观电势能井，使得带电粒子能快速、有效地在丝素蚕白网络中‘跳跃’，极大地提升丝素蛋白材料的电子学特性。”刘向阳说。 　　刘向阳表示，该特性可在电场作用下实现对材料忆阻性能的优化调控，得到擦写速度达10纳秒的超快蛋白质基阻变存储器，比纯蚕丝的以及目前所报道的蛋白质基忆阻器，快二到三个数量级。 　　据了解，这是目前所报道的蛋白质基信息存储领域最快擦写速度，甚至可以与顶级无机类材料忆阻器相媲美。该成果的突破，证实了该介观功能化策略在柔性材料功能化领域具备极大的推广价值，可为柔性电子器件提供新的设计思路及理论基础。
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  • 《美科学家造出自组装蛋白丝》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-11-12
    • 据美国物理学家组织网近日报道，美国科学家首次从头开始，设计和制造出自组装蛋白丝。这些蛋白丝是相同的蛋白质亚基自发结合在一起形成的长的螺旋状线状结构。最新研究将有助科学家更好地了解天然蛋白丝的结构和力学特征，并制造出自然界中不存在的全新材料，包括媲美或超过蜘蛛丝强度的人造纤维，以及纳米级电路等。 在自然界中，蛋白丝是活细胞中若干结构和运动部分以及许多身体组织的必要组成部分。这些结构和组织包括让细胞形成特定结构的细胞骨架、协调细胞分裂的细胞微管，以及我们体内最常见的蛋白质——胶原蛋白等。 为设计出这种新蛋白丝，华盛顿大学医学院生物化学教授戴维·贝克带领的团队使用了贝克实验室开发的名为“罗塞塔”（Rosetta）的计算机程序，该程序可以通过蛋白的氨基酸序列预测其形状。他们用“罗塞塔”设计出了一种小蛋白，其表面有氨基酸，可使它们相互锁定，从而自我组装成螺旋状的蛋白长丝。研究人员称，借助这一方法，“我们最终能设计出可像乐高积木一样拼合的蛋白质”。该成果已发表于《科学》杂志在线版。 论文第一作者、华盛顿大学医学院讲师乔治·法利亚斯说，新方法设计出的蛋白相对较小，仅由180至200个氨基酸组成，长度仅约1纳米，但可组装成长度超1万纳米的稳定长丝。 研究还证明，通过修改设计出的蛋白在溶液中的浓度，并添加抑制蛋白结合能力的添加物，可驱动细丝生长或解散。 贝克说：“对细丝形成动力进行编程的能力将使我们深入了解自然界中的蛋白长丝如何组装和解开。这些蛋白非常稳定，可作为易于修改的支架，应用于从新型诊断测试到纳米电子设备等各种领域。” 新材料之新，在于它们往往拥有传统材料所不拥有的一种或多种优异性能：耐高温、耐高压、抗辐射、自修复、超轻、超韧度等等。正是这些优异性能让那些以往难以实现的科研设想成为现实。例如，要研制可以在深海作业的水下自主机器人，需要能够承受海底极端高压环境的材料；要实现核聚变能源即“人造太阳”，需要大量能够承受超强辐射的材料。可以毫不夸张地说，新材料为众多新技术的应用和发展提供了不可或缺的载体。
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