Grønne elektroniske materialer produceret med syntetisk biologi

Forskere ved University of Massachusetts Amherst rapporterer i det aktuelle nummer af Lille at de genetisk har designet en ny bakteriestamme, der spinder ekstremt tynde og stærkt ledende tråde, der udelukkende består af giftfri, naturlige aminosyrer.

Forskere ledet af mikrobiolog Derek Lovely siger ledningerne, som konkurrerer med de tyndeste ledninger, man kender, er fremstillet af vedvarende, billige råmaterialer og undgå de hårde kemiske processer, der typisk bruges til at producere nanoelektroniske materialer.

Lovley siger, "Nye kilder til elektronisk materiale er nødvendige for at imødekomme den stigende efterspørgsel efter at gøre mindre, mere kraftfulde elektroniske enheder på en bæredygtig måde. "Evnen til at masseproducere sådanne tynde ledende ledninger med denne bæredygtige teknologi har mange potentielle anvendelser inden for elektroniske enheder, fungerer ikke kun som ledninger, men også transistorer og kondensatorer. Foreslåede applikationer omfatter biokompatible sensorer, computerenheder, og som komponenter i solpaneler.

Denne fremgang begyndte for ti år siden, da Lovley og kolleger opdagede, at Geobacter, en fælles jordmikroorganisme, kunne producere "mikrobielle nanotråde, "elektrisk ledende proteinfilamenter, der hjælper mikroben med at vokse på de jernmineraler, der er rigelige i jorden. Disse mikrobielle nanotråde var ledende nok til at opfylde bakteriens behov, men deres ledningsevne var langt under ledningsevnerne for organiske ledninger, som kemikere kunne syntetisere.

"Da vi lærte mere om, hvordan de mikrobielle nanotråde fungerede, indså vi, at det måske var muligt at forbedre naturens design, "siger Lovley." Vi vidste, at en klasse af aminosyrer var vigtig for ledningsevnen, så vi omarrangerede disse aminosyrer til at producere en syntetisk nanotråd, som vi troede kunne være mere ledende. "

Tricket, de opdagede for at opnå dette, var at introducere tryptophan, en aminosyre, der ikke findes i de naturlige nanotråde. Tryptophan er en almindelig aromatisk aminosyre berygtet for at forårsage døsighed efter at have spist Thanksgiving kalkun. Imidlertid, det er også yderst effektivt på nanoskalaen til transport af elektroner.

"Vi designede en syntetisk nanotråd, hvor der blev indsat et tryptophan, hvor naturen havde brugt en phenylalanin og indsat en anden tryptophan til en af ​​tyrosinerne. Vi håbede at blive heldige, og at Geobacter stadig kunne danne nanotråde fra dette syntetiske peptid og måske fordoble nanotråden ledningsevne, "siger Lovley.

Resultaterne overgik i vid udstrækning forskernes forventninger. De genetisk manipulerede en stamme af Geobacter og fremstillede store mængder af de syntetiske nanotråde 2000 gange mere ledende end det naturlige biologiske produkt. En ekstra bonus er, at de syntetiske nanotråde, som Lovley omtaler som "biowire, "havde en diameter kun halvdelen af ​​det naturlige produkt.

"Vi blev forbløffet over dette resultat, "siger Lovley. Ledningsevnen for biowire overstiger den for mange typer kemisk producerede organiske nanotråde med lignende diametre. Den ekstremt tynde diameter på 1,5 nanometer (over 60, 000 gange tyndere end et menneskehår) betyder, at tusindvis af ledningerne let kan pakkes ind i et meget lille rum.

Den ekstra fordel er, at fremstilling af biowire ikke kræver nogen af ​​de farlige kemikalier, der er nødvendige for syntese af andre nanotråde. Også, biowire indeholder ingen giftige komponenter. "Geobacter kan dyrkes på billige vedvarende organiske råvarer, så det er en meget 'grøn' proces, "bemærker han. Og, selvom biowiren er lavet af protein, det er ekstremt holdbart. Faktisk, Lovleys laboratorium måtte arbejde i flere måneder for at etablere en metode til at nedbryde det.

"Det er et ganske usædvanligt protein, "Lovley siger." Dette er måske kun begyndelsen, "tilføjer han. Forskere i hans laboratorium producerede for nylig mere end 20 andre Geobacter -stammer, hver producerer en tydelig biowire -variant med nye aminosyrekombinationer. Han bemærker, "Jeg håber, at vores første succes vil tiltrække flere midler til at fremskynde opdagelsesprocessen. Vi håber, at vi kan ændre biowire på andre måder for at udvide dets potentielle applikationer."