Syracuse kemikere kombinerer biologi, nanoteknologi til at skabe alternativ energikilde

Kemikere fra Syracuse University's College of Arts and Sciences har gjort et transformerende fremskridt i en alternativ lyskilde - en, der ikke kræver et batteri eller et stik.

Lektor Mathew Maye og et team af forskere fra Syracuse, sammen med samarbejdspartnere fra Connecticut College, har for nylig demonstreret højeffektiv energioverførsel mellem halvlederkvantestave og luciferase-enzymer. Kvantestænger og luciferase-enzymer er nanomaterialer og biomaterialer, henholdsvis. Når det kombineres korrekt, disse materialer producerer bioluminescens – undtagen, i stedet for at komme fra et biomateriale, såsom et ildflueenzym, lyset udsendes fra et nanomateriale, og er grøn, orange, rød, eller nær-infrarød i farve.

"Tænk på vores system som et designprojekt, " siger Maye. "Vores mål har været at bygge et nano-biosystem, der er alsidigt nok til at lære os meget, samtidig med at vi kan overvinde væsentlige udfordringer på området og have praktiske anvendelser. Designet involverer materialer fra vores kemi- og biologilaboratorier, samt diverse nanovidenskab og selvsamlingsværktøjer. Det er en ægte teamindsats med flere samarbejder."

Maye illustrerer hans pointe ved at henvise til kvantestænger, som hver er fire nanometer bred og 50 nanometer lang. (En nanometer er 1 milliardtedel af en meter.) "Stængerne blev kemisk syntetiseret med forbløffende præcision, " siger han. "For at få den bedste information, vi indså, at vi havde brug for mindst to forskellige typer stænger, hver med tre syntetisk indstillede variationer, og op til 10 forskellige monteringsbetingelser."

At have en bred vifte af variabler har gjort det muligt for Maye og hans team at lære mere om videnskaben om nano-biologi energioverførsel.

Før han blev postdoc ved University of Notre Dame, Rabeka Alam G'13 ledede projektet i Syracuse som ph.d. studerende. Hun siger, at dette arbejde belyser en særlig form for interaktion kendt som bioluminescensresonansenergioverførsel (BRET). "I nanovidenskab, en kvanteprik eller stav er typisk en energidonor, " siger hun. "I vores tilfælde, energien kom fra bioluminescerende luciferase."

med BRET, enzymet er knyttet til overfladen af ​​stangen. Luciferin tilsættes, og fungerer som en slags brændstof. Når enzymet og brændstoffet interagerer, de frigiver en energi, der overføres til stangen, får det til at lyse.

"Tricket til at øge effektiviteten [af BRET] er at finde den rigtige donor-acceptor-kombination, som kræver forskellige stænger og enzymer, " siger Liliana Karam, en Syracuse Ph.D. studerende, der i øjeblikket leder projektet. "Takket være vores kolleger på Connecticut College, vi har genetisk manipulerede enzymer i flere farver, der er knyttet til stængerne, hvilken, på tur, er forberedt i vores laboratorium i Syracuse."

Maye siger, at kvantestængerne er sammensat af halvledende elementer - specifikt, en ydre skal af cadmiumsulfid og en indre kerne af cadmiumselenid. Ved at manipulere størrelsen og formen af ​​kernen, længden af ​​stangen, og måden enzymerne er fastgjort og pakket på overfladen af ​​stangen, forskere er i stand til at ændre farven og intensiteten af ​​det lys, der udsendes, dermed demonstrerer processens overordnede effektivitet.

Postodc Tennyson Doane, et højtstående medlem af Maye Research Group, siger, at et af projektets gennembrud involverer en speciel type stang kendt som en "stang-i-stang." Gruppen har opstillet en hypotese om, hvorfor netop denne stang resulterer i højeffektive gevinster.

"Når du har en stangformet kerne, den resulterende fluorescens er polariseret, hvilket betyder cirkulært lys kommer ind, og der kommer lineært polariseret lys ud, " siger Doane, tilføjer, at formen på materialet gør BRET mere effektiv. "Vi tror, ​​at når den er justeret korrekt med den luciferase-exciterede tilstand, stangen oplever effektivitetsgevinster, som ellers ikke er vidne til i et selvsamlet nanosystem. Kontrol af enzymplacering og bioluminescenspolarisering kan, en dag, føre til nye 'lyskontakter, "hvor kun visse enzymer omkring kvantestangen er i stand til at interagere via BRET."

Maye kalder dette "brug af biologi til ikke-biologiske anvendelser."

"Vores nanorods er lavet af de samme materialer, som bruges i computerchips, solpaneler, og LED [lysemitterende diode] lyser. I øjeblikket, vores system fungerer bedst i det røde til nær-infrarøde område, som har længere bølgelængder end synligt lys, og er usynlig for øjet, " han siger, hentyder til nattesynsbriller, medicinsk billeddannelse, og hurtig mikrobiel detektion. "Vores arbejde er patentanmeldt hos Syracuse. Måske, vi vil en dag have ildflue-dækkede nanorods, der kan indsættes i LED-lys og ikke kræver et stik."

Resultaterne er genstand for en nylig artikel i ACS Nano .