在一項概念驗證研究中，科學家們創建了能夠執行簡單邏輯功能的自組裝的蛋白質電路。這項工作表明，利用電子在量子尺度上的特性來創建穩定的數字電路是可行的。創建分子電路的絆腳石之一是，隨著電路尺寸的減小，電路變得不可靠。這是因為創造電流所需的電子在量子尺度上表現得像波，而不是粒子。

例如，在一個有兩根相距一納米（十億分之一米）的電線的電路上，電子可以在兩根電線之間的”隧道”穿梭並有效地同時出現在兩個地方，從而使電流的方向難以控制。分子電路可以緩解這些問題，但由於在這種規模下製造電極的挑戰，單分子結的有效存在時間是短暫的或低產量的。

北卡羅來納州立大學化學系副教授Ryan Chiechi說：”我們的目標是嘗試創建一個分子電路，利用隧道的優勢，而不是對抗它。”

Chiechi和劍橋大學的共同通訊作者Xinkai Qiu首先將兩種不同類型的富勒烯籠子放置在有圖案的金基底上，從而構建了這些電路。然後他們將該結構浸入光系統一（PSI）的溶液中，這是一種常用的葉綠素蛋白質複合物。

不同的富勒烯誘導PSI蛋白以特定的方向在表面上自組裝，一旦鎵銦液態金屬共晶的頂部觸點被印在上面，就會產生二極管和電阻。這個過程既解決了單分子結的缺點，又保留了分子電子的功能。

Chiechi說：”在我們想要電阻的地方，我們在PSI自組裝的電極上印製了一種富勒烯，而在我們想要二極管的地方，我們印製了另一種類型，”。”定向的PSI能整流，這意味著它只允許電子向一個方向流動。通過控制PSI集合體的淨方向，我們可以決定電荷如何流過它們。”

研究人員將自組裝的蛋白質組合與人類製造的電極結合起來，並製作了簡單的邏輯電路，利用電子隧道行為來調節電流。

Chiechi說：”這些蛋白質散射電子波函數，以仍未完全理解的方式介導隧道行為。其結果是，儘管厚度為10納米，但這個電路在量子水平上發揮作用，在隧道系統中運行。而且由於我們使用的是一組分子，而不是單個分子，所以結構是穩定的。我們實際上可以在這些電路的頂部打印電極，並建立設備。”

研究人員從這些電路中創建了簡單的基於二極管的AND/OR邏輯門，並將其納入脈沖調制器，該調製器可以根據另一個輸入信號的電壓，通過打開或關閉一個輸入信號來編碼信息。基於PSI的邏輯電路能夠切換3.3kHz的輸入信號–雖然在速度上不能與現代邏輯電路相提並論，但仍然是迄今為止報導的最快的分子邏輯電路之一。

“這是一個概念驗證的初級邏輯電路，它同時依賴於二極管和電阻，”Chiechi說。”這可以表明可以用蛋白質建立強大的、能在高頻率下工作的集成電路。就眼前的效用而言，這些基於蛋白質的電路可能會導致電子設備的發展，從而增強、取代和/或擴展經典半導體的功能。”

這項研究發表在《自然通訊》上。共同作者Chiechi和Qiu曾在荷蘭的格羅寧根大學工作。