Forskere udvikler biologiske kredsløbskomponenter, ny mikroskopteknik til måling af dem

(PhysOrg.com) -- Elektriske ingeniører har længe leget med ideen om at designe biologiske molekyler, der kan integreres direkte i elektroniske kredsløb. Forskere fra University of Pennsylvania har udviklet en måde at danne disse strukturer på, så de kan fungere i friluftsmiljøer, og, vigtigere, har udviklet en ny mikroskopteknik, der kan måle de elektriske egenskaber af disse og lignende enheder.

Forskningen blev udført af Dawn Bonnell, Trustee Chair Professor og direktør for Nano/Bio Interface Center, kandidatstuderende Kendra Kathan-Galipeau og Maxim Nikiforov og postdoktor Sanjini Nanayakkara, hele Institut for Materialevidenskab og Teknik i Penns School of Engineering and Applied Science. De samarbejdede med adjunkt Bohdana Discher fra Institut for Biofysik og Biokemi ved Penns Perelman School of Medicine og Paul A. O'Brien, en kandidatstuderende i Penn's Biotechnology Masters Program.

Deres arbejde blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

Udviklingen involverer kunstige proteiner, bundter af peptidspiraler med et fotoaktivt molekyle indeni. Disse proteiner er arrangeret på elektroder, som er fælles træk ved kredsløb, der overfører elektriske ladninger mellem metalliske og ikke-metalliske elementer. Når der skinner lys på proteinerne, de omdanner fotoner til elektroner og sender dem til elektroden.

"Det er en lignende mekanisme som, hvad der sker, når planter absorberer lys, undtagen i det tilfælde bruges elektronen til noget kemi, der skaber energi til planten, " sagde Bonnell. "I dette tilfælde, vi vil bruge elektronen i elektriske kredsløb."

Lignende peptidsamlinger var blevet undersøgt i opløsning før af flere grupper og var blevet testet for at vise, at de faktisk reagerer på lys. Men der var ingen måde at kvantificere deres omgivende elektriske egenskaber, især kapacitans, mængden af ​​elektrisk ladning samlingen rummer.

"Det er nødvendigt at forstå den slags egenskaber i molekylerne for at lave enheder ud af dem. Vi har studeret silicium i 40 år, så vi ved, hvad der sker med elektroner der, " sagde Bonnell. "Vi vidste ikke, hvad der sker med elektroner på tørre elektroder med disse proteiner; vi vidste ikke engang, om de ville forblive fotoaktive, når de var fastgjort til en elektrode."

At designe kredsløb og enheder med silicium er i sagens natur nemmere end med proteiner. De elektriske egenskaber af en stor del af et enkelt element kan måles og derefter nedskaleres, men komplekse molekyler som disse proteiner kan ikke skaleres op. Diagnostiske systemer, der kunne måle deres egenskaber med nanometerfølsomhed, eksisterede simpelthen ikke.

Forskerne var derfor nødt til at opfinde både en ny måde at måle disse egenskaber på og en kontrolleret måde at fremstille de fotovoltaiske proteiner på, der ville ligne, hvordan de i sidste ende kunne blive inkorporeret i enheder i det fri, hverdagsmiljøer, i stedet for at svømme i en kemisk opløsning.

For at løse det første problem, holdet udviklede en ny slags atomkraftmikroskopteknik, kendt som torsionsresonans nanoimpedansmikroskopi. Atomic force mikroskoper fungerer ved at bringe en ekstremt smal siliciumspids meget tæt på en overflade og måle, hvordan spidsen reagerer, giver en rumlig følsomhed på få nanometer ned til individuelle atomer.

"Det, vi har gjort i vores version, er at bruge en metallisk spids og sætte et oscillerende elektrisk felt på den. Ved at se, hvordan elektroner reagerer på feltet, vi er i stand til at måle mere komplekse interaktioner og mere komplekse egenskaber, såsom kapacitans, " sagde Bonnell.

Bohdana Dischers gruppe designede de selvsamlende proteiner stort set, som de havde gjort før, men tog det ekstra trin med at stemple dem på plader af grafitelektroder. Dette fremstillingsprincip og evnen til at måle de resulterende enheder kan have en række anvendelser.

"Fotovoltaik - solceller - er måske det nemmeste at forestille sig, men hvor dette arbejde foregår på kortere sigt er biokemiske sensorer, " sagde Bonnell.

I stedet for at reagere på fotoner, proteiner kunne designes til at producere en ladning, når de er i nærværelse af bestemte toksiner, enten skiftende farve eller fungere som et kredsløbselement i en gadget på menneskelig skala.