Nyopdagede organiske nanotråde efterlader menneskeskabte teknologier i deres støv

En mikrobiel proteinfibre opdaget af en videnskabsmand fra Michigan State University transporterer afgifter med høje hastigheder til at blive anvendt i menneskeskabte nanoteknologier.

Opdagelsen, omtalt i det aktuelle nummer af Videnskabelige rapporter , beskriver den højhastighedsproteinfiber, der produceres af uran-reducerende Geobacter-bakterier. Fibrene er hårlignende proteinfilamenter kaldet "pili", som har den unikke egenskab at transportere ladninger med hastigheder på 1 milliard elektroner i sekundet.

"Denne mikrobielle nanotråd er kun lavet af en enkelt peptidunderenhed, " sagde Gemma Reguera, hovedforfatter og MSU mikrobiolog. "At være lavet af protein, disse organiske nanotråde er biologisk nedbrydelige og biokompatible. Denne opdagelse åbner således mange applikationer inden for nanoelektronik, såsom udviklingen af ​​medicinske sensorer og elektroniske enheder, der kan forbindes med menneskeligt væv."

Da eksisterende nanoteknologier inkorporerer eksotiske metaller i deres design, omkostningerne ved organiske nanotråde er også meget mere omkostningseffektive, tilføjede hun.

Hvordan nanotrådene fungerer i naturen kan sammenlignes med vejrtrækning. Bakterieceller, som mennesker, skal trække vejret. Respirationsprocessen involverer at flytte elektroner ud af en organisme. Geobacter-bakterier bruger proteinet nanotråde til at binde og ånde metalholdige mineraler som jernoxider og opløselige giftige metaller som uran. Toksinerne mineraliseres på nanotrådenes overflade, forhindrer metallerne i at trænge igennem cellen.

Regueras team rensede deres proteinfibre, som er omkring 2 nanometer i diameter. Ved at bruge det samme værktøjssæt af nanoteknologer, forskerne var i stand til at måle de høje hastigheder, hvormed proteinerne passerede elektroner.

"De er som elledninger på nanoskala, " sagde Reguera. "Dette er også den første undersøgelse, der viser elektronernes evne til at rejse så lange afstande - mere end en 1, 000 gange, hvad der tidligere er blevet bevist - sammen med proteiner."

Forskerne identificerede også metalfælder på overfladen af ​​proteinnanotrådene, der binder uran med stor affinitet og potentielt kunne fange andre metaller. Disse fund kunne danne grundlag for systemer, der integrerer protein nanotråde til at udvinde guld og andre ædle metaller, scrubbere, der kan anvendes til at immobilisere uran på saneringspladser og mere.

Reguera's nanotråde kan også modificeres for at finde andre materialer, som kan hjælpe dem med at trække vejret.

"Geobacter-cellerne laver disse proteinfibre naturligt for at indånde visse metaller. Vi kan bruge genteknologi til at tune de elektroniske og biokemiske egenskaber af nanotrådene og muliggøre nye funktionaliteter. Vi kan også efterligne den naturlige fremstillingsproces i laboratoriet for at masseproducere dem i billige og miljøvenlige processer, " sagde Reguera. "Dette står i dramatisk kontrast til fremstillingen af ​​menneskeskabte uorganiske nanotråde, som involverer høje temperaturer, giftige opløsningsmidler, støvsugere og specialudstyr."

Denne opdagelse kom fra virkelig at lytte til bakterier, sagde Reguera.

"Proteinet får æren, men vi kan ikke glemme at takke de bakterier, der opfandt dette, " sagde hun. "Det er altid klogt at gå tilbage og spørge bakterier, hvad de ellers kan lære os. På en måde, vi aflytter mikrobielle samtaler. Det er som at lytte til vores ældre, at lære af deres visdom og tage den videre."