Forskerteam opdager nye ledende egenskaber ved bakterieproducerede ledninger

Opdagelsen af ​​en grundlæggende, tidligere ukendt egenskab af mikrobielle nanotråde i bakterien Geobacter sulfurreducens, der tillader elektrontransport over lange afstande, kan revolutionere nanoteknologi og bioelektronik, siger et team af fysikere og mikrobiologer ved University of Massachusetts Amherst.

Deres resultater blev rapporteret i den 7. august forudgående online -udgave af Naturnanoteknologi kan en dag føre til billigere, ikke -toksiske nanomaterialer til biosensorer og elektronik i fast tilstand, der grænseflade med biologiske systemer.

Den ledende mikrobiolog Derek Lovley med fysikerne Mark Tuominen, Nikhil Malvankar og kolleger, sige netværk af bakterielle filamenter, kendt som mikrobielle nanotråde, fordi de leder elektroner langs deres længde, kan flytte afgifter lige så effektivt som syntetiske organiske metalliske nanostrukturer, og de gør det over bemærkelsesværdige afstande, tusinder af gange bakteriens længde.

Netværk af mikrobielle nanotråde, der strømmer gennem biofilm, som er sammenhængende aggregater af milliarder af celler, give denne biologiske materialeledningsevne sammenlignelig med den, der findes i syntetiske ledende polymerer, som normalt bruges i elektronikindustrien.

Lovley siger, "Proteinfilamenters evne til at lede elektroner på denne måde er et paradigmeskift i biologien og har konsekvenser for vores forståelse af naturlige mikrobielle processer samt praktiske konsekvenser for miljøoprydning og udvikling af vedvarende energikilder."

Opdagelsen repræsenterer en grundlæggende ændring i forståelsen af ​​biofilm, Tilføjer Malvankar. "I denne art, biofilmen indeholder proteiner, der opfører sig som et metal, ledende elektroner over en meget lang afstand, stort set så langt du kan forlænge biofilmen. "

Tuominen, hovedfysikeren, tilføjer, "Denne opdagelse fremlægger ikke kun et vigtigt nyt princip inden for biologi, men i materialevidenskab. Vi kan nu undersøge en række nye ledende nanomaterialer, der lever, naturligt forekommende, ikke -giftig, lettere at producere og billigere end menneskeskabte. De kan endda tillade os at bruge elektronik i vand og fugtige miljøer. Det åbner spændende muligheder for biologiske og energiprogrammer, der ikke var mulige før. "

Forskerne rapporterer, at det er første gang metallisk-lignende ledning af elektrisk ladning langs et proteinfilament er blevet observeret. Det blev tidligere antaget, at en sådan ledning ville kræve en mekanisme, der involverer en række andre proteiner kendt som cytokromer, med elektroner, der laver kort humle fra cytokrom til cytokrom. Derimod, UMass Amherst-teamet har demonstreret langtrækkende ledning i fravær af cytokromer. Geobacter -filamenterne fungerer som en ægte ledning.

I naturen, Geobacter bruger deres mikrobielle nanotråde til at overføre elektroner til jernoxider, naturlige rustlignende mineraler i jord, at for Geobacter tjener den samme funktion som ilt gør for mennesker. "Hvad Geobacter kan gøre med sine nanotråde ligner vejrtrækning gennem en snorkel, der er 10 kilometer lang, ”siger Malvankar.

UMass Amherst -gruppen havde i et papir i 2005 foreslået, at Geobacters nanotråde kunne repræsentere en grundlæggende ny egenskab inden for biologi, men de havde ikke en mekanisme, så blev mødt med betydelig skepsis. For at fortsætte med at eksperimentere, Lovley og kolleger udnyttede det faktum, at i laboratoriet vil Geobacter vokse på elektroder, som erstatter jernoxiderne. På elektroder, bakterierne producerer tykke, elektrisk ledende biofilm. I en række undersøgelser med genetisk modificerede stammer, forskerne fandt den metallisk-lignende ledningsevne i biofilmen kunne tilskrives et netværk af nanotråde, der spredte sig gennem biofilmen.

Disse særlige strukturer kan afstemmes på en måde, man ikke har set før, fandt UMass Amherst -forskerne. Tuominen påpeger, at det er velkendt i nanoteknologisamfundet, at kunstige nanotrådsejendomme kan ændres ved at ændre deres omgivelser. Geobacters naturlige tilgang er unik ved at tillade forskere at manipulere ledende egenskaber ved blot at ændre temperaturen eller regulere genekspression for at skabe en ny stamme, for eksempel. Malvankar tilføjer, at ved at introducere en tredje elektrode, en biofilm kan fungere som en biologisk transistor, kan tændes eller slukkes ved at anvende en spænding.

En anden fordel, Geobacter tilbyder, er dens evne til at producere naturlige materialer, der er mere miljøvenlige og en del billigere end menneskeskabte. En hel del af nutidens nanotekniske materialer er dyre at producere, mange kræver sjældne elementer, siger Tuominen. Geobacter er et sandt naturligt alternativ. "Som en, der studerer materialer, Jeg ser nanotråde i denne biofilm som et nyt materiale, en, der tilfældigvis er lavet af naturen. Det er spændende, at det kan bygge bro mellem elektronik i fast tilstand og biologiske systemer. Det er biokompatibelt på en måde, vi ikke har set før. "

Lovley kvitter, "Vi laver dybest set elektronik af eddike. Det kan ikke blive meget billigere eller mere 'grønt' end det."

Endelig, dette er en historie om tværfagligt samarbejde, som er meget sværere at opnå end det lyder, Lovley siger. "Vi var meget heldige at have fleksibel finansiering fra Office of Naval Research, Energiministeriet og National Science Foundation, der tillod os at følge nogle anelser. Også, det tog en fysik doktorand modig nok til at komme over til mikrobiologi for at arbejde med noget vådt og slimet. "Den studerende, Nikhil Malvankar, nu er en postdoktor, der sammen med Lovley og Tuominen vil fortsætte med at undersøge, hvad der giver Geobacter's proteinfilamenter deres unikke elektriske egenskaber.