_ Bacteriile „nanowires” ar putea ajuta dezvoltă electronice ecologice

Filamentele de proteine ​​produse inițial de bacterii au fost modificate de oamenii de știință pentru a conduce electricitatea. Într-un studiu publicat recent în revista Small, cercetătorii au dezvăluit că nanofirele proteice – care au fost modificate prin adăugarea unui singur compus – pot conduce electricitatea pe distanțe scurte și pot folosi energia din umiditatea din aer.

„Descoperirile noastre”. deschide posibilități de dezvoltare a componentelor și dispozitivelor electrice durabile și ecologice, bazate pe proteine”, spune dr. Lorenzo Travaglini, autorul principal al lucrării. „Aceste nanofire proiectate ar putea duce într-o zi la inovații în recoltarea energiei, aplicații biomedicale și detectarea mediului.”

Dezvoltările în domeniul interdisciplinar care combină ingineria proteinelor și nanoelectronica sunt, de asemenea, promițătoare pentru dezvoltarea tehnologiilor de ultimă oră care să pună o punte. decalajul dintre sistemele biologice și dispozitivele electronice.

„În cele din urmă, scopul nostru este de a modifica materialele produse de bacterii pentru a crea componente electronice. Acest lucru ar putea duce la o eră cu totul nouă a electronicii verzi, ajutând la formarea unui viitor mai durabil”, spune Dr. Travaglini, care este supravegheat de Dr. Dominic Glover în cadrul SYNbioLAB de la Școala de Biotehnologie și Științe Biomoleculare.

Electriitatea este creată de mișcarea electronilor – particule mici care transportă o sarcină electrică – între atomi.

„O mulțime de evenimente din natură necesită mișcarea electronilor și sunt sursa de inspirație pentru noi tehnici de recoltare a energiei electrice”, spune dr. Travaglini. „De exemplu, clorofila din plante trebuie să miște electronii între diferite proteine ​​pentru a putea fotosintetiza.”

Bacteriile care apar în mod natural folosesc, de asemenea, filamente conductoare, cunoscute sub numele de nanofire, pentru a transfera electroni prin membranele lor. Este important că nanofirele bacteriene care conduc electricitatea au potențialul de a interacționa cu sistemele biologice, cum ar fi celulele vii, și ar putea fi utilizate în biosensing pentru a monitoriza semnalele interne din organism folosind o interfață om-mașină.

Cu toate acestea, atunci când sunt extrase direct din bacterii, aceste nanofire naturale sunt greu de modificat și au o funcționalitate limitată.

„Pentru a depăși aceste limitări, am modificat genetic o fibră folosind bacteria E. coli”, spune dr. Travaglini. „Am modificat ADN-ul E. coli, astfel încât bacteriile nu numai să producă proteinele de care avea nevoie pentru a supraviețui, dar și să construiască proteina specifică pe care am proiectat-o, pe care apoi le-am proiectat și asamblat în nanofire în laborator.”

Echipa știa că, prin ea însăși, proteina produsă de bacterii nu va fi foarte conductivă, dar că ar trebui să adauge un singur ingredient.

Partea lipsă a puzzle-ului era un hem moleculă.

Hemul este o structură circulară – cunoscută sub numele de inel de porfirină – cu un atom de fier care se află în mijloc. Este responsabil pentru transportul oxigenului în celulele roșii din sânge de la plămâni la restul corpului.

Cercetări recente au sugerat că atunci când moleculele heme sunt aranjate strâns împreună, acestea permit transferul de electroni. Așadar, dr. Travaglini și echipa sa au integrat hemul în filamentele produse de bacterii, bănuind că electronii ar putea sări între moleculele de hem dacă ar fi localizați suficient de aproape unul de celălalt.

În laborator, echipa a măsurat conductanța filamentelor proiectate prin așezarea unei pelicule de material peste un electrod și aplicarea unui potențial electric. „Așa cum ne așteptam, am constatat că prin adăugarea de hem la filament, proteina a devenit conductivă, în timp ce filamentul gol fără hem nu a prezentat curent”, spune dr. Travaglini.

În timp ce dr. Travaglini și Dr. Glover și-a propus inițial să moduleze un material natural într-un fir conductor, au descoperit niște rezultate surprinzătoare.

„Am efectuat testele de conductivitate într-o cameră în care puteți controla condițiile externe”, spune dr. Travaglini. „Am început să observăm că în ceea ce se consideră „condiții de mediu”, între 20%–30% umiditate, curentul electric era mai puternic.”

Echipa a decis să efectueze mai multe teste, folosind cantități mai groase de materialul, prins între doi electrozi de aur. „Am propus ca umiditatea să creeze un gradient de încărcare pe toată adâncimea materialului”, spune dr. Travaglini. „Și această încărcare dezechilibrată pe film este capabilă să creeze un curent scurt, fără a fi nevoie să aplice deloc potențial.”

Odată ce au descoperit că filamentul răspunde la umiditate, au creat un senzor de umiditate simplu. pentru a măsura modul în care curentul a reacționat la umiditatea din aer, prin simpla respirație pe dispozitiv. „Am descoperit că fiecare vârf de conductivitate a fibrei corespundea unei expirări”, spune dr. Travaglini.

Această cercetare ar putea deschide ușa posibilității de a produce dispozitive electrice provenite din surse durabile și non-toxice. materiale care necesită o putere ultra-scăzută.

„Electronicele pe care tindem să le folosim sunt create prin procese care necesită temperaturi ridicate și necesită foarte multă energie. Nu sunt verzi și materialele din care provin poate fi toxic”, spune dr. Travaglini. „Folosirea biomaterialelor pentru a crea electricitate este mult mai ecologică. Putem produce aceste filamente din bacterii și este scalabilă.”

Proprietățile acestor ansambluri de proteine ​​ar putea fi, de asemenea, reglabile prin modularea structurii chimice a hemului, sau mediul înconjurător al filamentului. Echipa experimentează în prezent cu încorporarea diferitelor molecule de porfir pentru a modifica proprietățile materialului, inclusiv pe cele sensibile la lumină. „Acest nivel de control este dificil de atins cu nanofirele bacteriene naturale, evidențiind versatilitatea și potențialul abordării noastre sintetice”, spune dr. Travaglini.

Dr. Travaglini subliniază că echipa sa se află încă în fazele incipiente ale cercetării și ar putea dura ceva timp până când vom vedea aceste filamente proiectate folosite în electronicele noastre de zi cu zi. „Este într-adevăr o chestiune de traducere”, spune el. „Nu știm exact cât timp va dura, dar putem vedea că mergem în direcția corectă.”

(Fluierul)