Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Nyt protein bygger bro over kemiske kløfter for sømløse bioelektronikenheder

Afbildning af peptider, der samler sig selv til nanotråde på en 2-D overflade af den semimetalliske grafen. Kredit:Mehmet Sarikaya

Livet har altid spillet efter sit eget sæt af molekylære regler. Fra biokemien bag de første celler, evolutionen har konstrueret vidundere som hård knogle, grov bark og planteenzymer, der høster lys for at lave mad.

Men vores værktøjer til at manipulere livet - at behandle sygdom, reparere beskadiget væv og erstatte tabte lemmer – kommer fra det ikke-levende område:metaller, plastik og lignende. Selvom disse redder og bevarer liv, vores syntetiske behandlinger er forankret i et kemisk sprog, der er dårligt egnet til vores organiske elegance. Implanterede elektroder ar, ledninger overophedes og vores kroppe kæmper mod dårligt tilpassede pumper, rør eller ventiler.

En løsning ligger i at bygge bro over dette hul, hvor kunstige møder biologiske – udnyttelse af biologiske regler til at udveksle information mellem biokemien i vores kroppe og kemien i vores enheder. I et papir udgivet 22. september i Videnskabelige rapporter , ingeniører ved University of Washington afslørede peptider - små proteiner, der udfører utallige essentielle opgaver i vores celler - som kan give netop et sådant link.

Holdet, ledet af UW professor Mehmet Sarikaya i afdelingerne for Materials Science &Engineering, viser, hvordan et gensplejset peptid kan samles til nanotråde oven på 2-D, faste overflader, der kun er et enkelt lag atomer tykke. Disse nanotrådssamlinger er kritiske, fordi peptiderne videresender information på tværs af bio/nano-grænsefladen gennem molekylær genkendelse - de samme principper, der ligger til grund for biokemiske interaktioner, såsom et antistof, der binder til dets specifikke antigen eller proteinbinding til DNA.

Da denne kommunikation er tovejs, med peptider, der forstår teknologiens "sprog" og omvendt, deres tilgang muliggør i det væsentlige en sammenhængende bioelektronisk grænseflade.

Set ovenfra af GrBP5 nanotråde på en 2-D overflade af grafen. Kredit:Mehmet Sarikaya/ Videnskabelige rapporter

"At bygge bro over denne kløft ville være nøglen til at bygge fremtidens genetisk manipulerede biomolekylære faststof-enheder, " sagde Sarikaya, som også er professor i kemiteknik og mundsundhedsvidenskab.

Hans team i UW Genetical Engineered Materials Science and Engineering Center studerer, hvordan man kan samle livets kemi for at syntetisere materialer med teknologisk betydningsfuld fysisk, elektroniske og fotoniske egenskaber. Til Sarikaya, livets biokemiske "sprog" er en logisk emulering.

"Naturen skal hele tiden lave materialer til at udføre mange af de samme opgaver, som vi søger, " han sagde.

UW-teamet ønsker at finde gensplejsede peptider med specifikke kemiske og strukturelle egenskaber. De søgte efter et peptid, der kunne interagere med materialer som guld, titanium og endda et mineral i knogler og tænder. Disse kan alle danne grundlaget for fremtidige biomedicinske og elektro-optiske enheder. Deres ideelle peptid bør også ændre de fysiske egenskaber af syntetiske materialer og reagere på denne ændring. Den vej, det ville transmittere "information" fra det syntetiske materiale til andre biomolekyler - bygge bro mellem den kemiske kløft mellem biologi og teknologi.

Ved at udforske egenskaberne af 80 genetisk udvalgte peptider - som ikke findes i naturen, men har de samme kemiske komponenter af alle proteiner - opdagede de, at en, GrBP5, viste lovende interaktioner med semimetallet grafen. De testede derefter GrBP5's interaktioner med flere 2-D nanomaterialer, som, Sarikaya sagde, "kunne tjene som fremtidens metaller eller halvledere."

Et billede fra oven af ​​GrBP5 nanotråde på en 2-D overflade af molybdændisulfid. Kredit:Mehmet Sarikaya/ Videnskabelige rapporter

"Vi havde brug for at kende de specifikke molekylære interaktioner mellem dette peptid og disse uorganiske faste overflader, " han tilføjede.

Deres eksperimenter afslørede, at GrBP5 spontant organiserede sig i ordnede nanotrådsmønstre på grafen. Med nogle få mutationer, GrBP5 ændrede også den elektriske ledningsevne af en grafen-baseret enhed, det første skridt mod at overføre elektrisk information fra grafen til celler via peptider.

Parallelt, Sarikayas team modificerede GrBP5 for at producere lignende resultater på et halvledermateriale - molybdændisulfid - ved at konvertere et kemisk signal til et optisk signal. De forudsagde også beregningsmæssigt, hvordan forskellige arrangementer af GrBP5 nanotråde ville påvirke den elektriske ledning eller optiske signal for hvert materiale, viser yderligere potentiale inden for GrBP5's fysiske egenskaber.

"På en måde, vi er ved sluserne, " sagde Sarikaya. "Nu skal vi udforske de grundlæggende egenskaber ved denne bro, og hvordan vi kan ændre den for at tillade strømmen af ​​'information' fra elektroniske og fotoniske enheder til biologiske systemer."


Varme artikler