Ned til tråden:Forskere og nye bakterier

Forskere sponsoreret af Office of Naval Research (ONR) har genetisk modificeret en almindelig jordbakterie for at skabe elektriske ledninger, der ikke kun leder elektricitet, men er tusindvis af gange tyndere end et menneskehår.

Efterhånden som elektroniske enheder i stigende grad berører alle facetter af menneskers liv, der er voksende appetit på teknologi, der er mindre, hurtigere og mere mobil og kraftfuld end nogensinde før. Takket være fremskridt inden for nanoteknologi (manipulation af stof på atom- eller molekylær skala), industrien kan fremstille materialer, der kun er milliardtedele af en meter i tykkelse.

De ONR-sponsorerede forskere – ledet af mikrobiolog Dr. Derek Lovley ved University of Massachusetts Amherst – siger, at deres konstruerede ledninger kan produceres ved hjælp af vedvarende "grønne" energiressourcer som solenergi, kuldioxid eller planteaffald; er lavet af ikke-giftige, naturlige proteiner; og undgå barske kemiske processer, der typisk bruges til at skabe nanoelektroniske materialer.

"Forskning som Dr. Lovleys kan føre til udvikling af nye elektroniske materialer for at imødekomme den stigende efterspørgsel efter mindre, mere kraftfulde computerenheder, " sagde Dr. Linda Chrisey, en programmedarbejder i ONR's Warfighter Performance Department, som sponsorerer forskningen. "At være i stand til at producere ekstremt tynde ledninger med bæredygtige materialer har et enormt potentiale for anvendelse som komponenter i elektroniske enheder såsom sensorer, transistorer og kondensatorer."

Det centrale i Lovleys arbejde er Geobacter, en bakterie, der producerer mikrobielle nanotråde - hårlignende proteinfilamenter, der stikker ud fra organismen - hvilket gør den i stand til at skabe elektriske forbindelser med de jernoxider, der understøtter dens vækst i jorden. Selvom Geobacter naturligvis bærer nok elektricitet til sin egen overlevelse, strømmen er for svag til menneskelig brug, men er nok til at blive målt med elektroder.

Lovleys team justerede bakteriens genetiske sammensætning for at erstatte to aminosyrer, der er naturligt til stede i ledningerne, med tryptofan - hvilket er beskyldt (forkert, nogle siger) for den søvnighed, der skyldes for meget Thanksgiving-kalkun. Bortset fra anklager om mad, Tryptofan er faktisk meget god til at transportere elektroner i nanoskalaen.

"Da vi lærte mere om, hvordan de mikrobielle nanotråde fungerede, vi indså, at det måske var muligt at forbedre naturens design, " sagde Lovley. "Vi omarrangerede aminosyrerne for at producere en syntetisk nanotråd, som vi troede kunne være mere ledende. Vi håbede, at Geobacter stadig kunne danne nanotråde og fordoble deres ledningsevne."

Resultaterne overgik holdets forventninger, da det syntetiske, tryptofan-infunderede nanotråde var 2, 000 gange mere ledende end deres naturlige modstykker. Og de var mere holdbare og meget mindre, med en diameter på 1,5 nanometer (over 60, 000 gange tyndere end et menneskehår) - hvilket betyder, at tusindvis af nanotråde muligvis kan opbevares i de mindste rum.

Lovley og Chrisey siger begge, at disse ultra-miniature nanotråde har adskillige potentielle anvendelsesmuligheder, da elektroniske enheder og computerenheder fortsætter med at skrumpe i størrelse. For eksempel, de kan være installeret i medicinske sensorer, hvor deres følsomhed over for pH-ændringer kan overvåge hjertefrekvens eller nyrefunktion.

Fra et militært perspektiv, nanotrådene kunne føre elektriske strømme til specielt konstruerede mikrober for at skabe butanol, et alternativt brændstof. Dette ville være særligt nyttigt i fjerntliggende steder som Afghanistan, hvor brændstofkonvojer ofte bliver angrebet, og det koster hundredvis af dollars pr. gallon at sende brændstof til krigssoldater.

Lovleys nanotråde kan også spille en afgørende rolle i at drive meget følsomme mikrober (som kunne placeres på en siliciumchip og fastgøres til ubemandede køretøjer), som kunne mærke tilstedeværelsen af ​​forurenende stoffer, giftige kemikalier eller sprængstoffer.

"Dette er en spændende tid at være på forkant med at skabe nye typer elektronikmaterialer, " sagde Lovley. "Det faktum, at vi kan gøre dette med bæredygtige, vedvarende materialer gør det endnu mere givende."

Lovleys forskning er en del af ONRs indsats inden for syntetisk biologi, som skaber eller omkonstruerer mikrober eller andre organismer til at udføre specifikke opgaver som at forbedre sundhed og fysisk ydeevne. Feltet er en top ONR-forskningsprioritet på grund af dets potentielle vidtrækkende indvirkning på krigskæmperens ydeevne og flådens kapacitet.