Прорыв в  биоэлектронике

Авторы исследования считают, что дальнейшее исследование механизмов работы проводимости бионанопроводов даст в будущем возможность использовать гены в качестве проводов 25 Январь 2017, 10:04
Микробиологи из колледжа Amherst Массачусетского университета заявляют, что они открыли новый тип натурального провода, который производят бактерии. Это находка может ускорить развитие «зеленых» проводящих материалов в сфере электроники.

Исследование за авторством Дерека Лавли и его коллег 
опубликовано в последнем номере mBio - основного журнала Американского сообщества микробиологии.

Ученые исследовали микробиологические нанопровода - протеиновые нити, которые бактерии используют для создания электрических связей с другими микробами и минералами в естественной среде. 

Лавли объясняет: «Микробиологические нанопровода - это революционный электропроводящий материал, серьезно обходящий по своим характеристикам искусственные аналоги. Химическое производство нано проводов в лаборатории требует использования токсичных химикатов, высоких температур и/или дорогих металлов. Энергозатраты колоссальны. А натуральные нанопровода можно производить массово при комнатной температуре на недорогом возобновляемом сырье в биореакторах. И с куда меньшими энергозатратами. Более того, финальный продукт не будет содержать никаких токсичных компонентов.»

«Микробиологические нанопровода, таким образом, имеют беспрецедентный потенциал с точки зрения разработки новых экологически чистых материалов, электронных устройств и сенсоров для самых разных задач» - добавляет он. «Это очень важный шаг в развитии микробиологических нанотехнологий. Подход, который мы описали в своей работе, демонстрирует скоростной метод поиска новых, лучших электропроводящих материалов.»
Биоэлектронный чип на нервном волокне в представлении художника
Сначала лаборатория Лавли работала с нанопроводами лишь одной бактерии - Geobacter sulfurreducens. «Изначально наши исследования были сосредоточены только на Geobacter, потому что мы просто пытались понять, как микроб производит провода» - говорит Лавли. «Сейчас мы крайне заинтересованы в нанопроводах и хотим лучше понять весь масштаб того, что природа может предложить в этой сфере.»

Когда ученые начали исследовать протеиновые нити Geobacter, они с удивлением обнаружили, что электропроводность у разных бактерий разнится. Например, у одного вида, который можно было найти в почве с высоким уровнем содержания урана, проводимость оказалась весьма низкой. А вот у Geobacter metallireducens – кстати, первого обнаруженного Geobacter – нанопровода в 5000 раз более электропроводные, чем у G. sulfurreducens. Лавли вспоминает: «Я собрал metallireducens из грязи реки Потомак 30 лет назад и каждые два года они преподносят новые сюрпризы.»

В следующем исследовании, которое поддерживало Американское управление военно-морских исследований, ученые не занимались G. metallireducens напрямую. Вместо этого они взяли из него ген, отвечающий за создание протеина, формирующего нанопровода, и ввели его в G. sulfurreducens.

В результате, появились модифицированные G. sulfurreducens, которые выделяют протеин G. metallireducens, и производят нанопровода с куда более высокой проводимостью, чем у обычных G. sulfurreducens.

Лавли добавляет: «Мы обнаружили, что G. sulfurreducens могут производить нити из генов самых разных бактерий. Это дает возможность производить множество разных нитей внутри одного микроорганизма.»

«Благодаря такому подходу, мы можем изучить мир микроорганизмов с точки зрения поиска полезных проводящих материалов» - продолжил он. «В микробиологическом мире существует огромное количество генов, отвечающих за производство нитей, и теперь мы можем их изучать, даже если не имеем оригинального микроорганизма.»
Исследователи объясняют необычайно высокую электропроводимость нанопроводов G. metallireducens большим содержанием ароматических аминокислот. Плотно расположенные ароматические кольца, судя по всему, являются ключевым элементом для проводимости. И, возможно, чем их больше, тем лучше передаются электроны по протеиновым нитям.

Высокая проводимость нанопроводов G. metallireducens делает их интересными в качестве материала для проводящих материалов, электронных устройств и сенсоров, применяющихся в медицине или в связи с окружающей средой. Авторы исследования считают, что дальнейшее исследование механизмов работы проводимости нанопроводов «даст важные данные о том, как мы можем начать делать еще лучшие провода из генов, которые разработаем сами.»