Udvikling af grøn elektronik:Team finder mikrobe fra Potomac giver bedre elektronisk materiale

Mikrobiologer ved University of Massachusetts Amherst rapporterer, at de har opdaget en ny type naturlig ledning produceret af bakterier, der i høj grad kan accelerere forskernes mål om at udvikle bæredygtige "grønne" ledende materialer til elektronikindustrien. Undersøgelsen af ​​Derek Lovley og kolleger vises i denne uge i mBio , American Society of Microbiologys førende tidsskrift.

Forskerne studerede mikrobielle nanotråde, proteinfilamenter, som bakterier naturligt bruger til at skabe elektriske forbindelser med andre mikrober eller mineraler.

Som Lovley forklarer, "Mikrobielle nanotråde er et revolutionerende elektronisk materiale med væsentlige fordele i forhold til menneskeskabte materialer. Kemisk syntetisering af nanotråde i laboratoriet kræver giftige kemikalier, høje temperaturer og/eller dyre metaller. Energikravene er enorme. Derimod naturlige mikrobielle nanotråde kan masseproduceres ved stuetemperatur fra billige vedvarende råmaterialer i bioreaktorer med meget lavere energiinput. Og det endelige produkt er fri for giftige komponenter."

"Mikrobielle nanotråde tilbyder derfor et hidtil uset potentiale for at udvikle nye materialer, elektroniske enheder og sensorer til forskellige applikationer med en ny miljøvenlig teknologi, " tilføjer han. "Dette er et vigtigt fremskridt inden for mikrobiel nanotrådsteknologi. Den tilgang, vi skitserer i dette papir, demonstrerer en hurtig metode til efterforskning i naturen for at finde bedre elektroniske materialer."

Indtil nu har Lovelys laboratorium arbejdet med nanotrådene fra kun én bakterie, Geobacter svovlreducens . "Vores tidlige undersøgelser fokuserede på den ene Geobacter fordi vi bare prøvede at forstå, hvorfor en mikrobe ville lave små ledninger, " siger Lovley. "Nu er vi mest interesserede i nanotrådene som et elektronisk materiale og vil gerne bedre forstå det fulde omfang af, hvad naturen kan have at tilbyde til disse praktiske anvendelser."

Da hans laboratorium begyndte at se på andres proteinfilamenter Geobacter arter, de var overraskede over at finde en bred vifte af ledningsevner. For eksempel, en art genvundet fra uranforurenet jord producerede dårligt ledende filamenter. Imidlertid, en anden art, Geobacter metallireducens - tilfældigvis den første Geobacter nogensinde isoleret - producerede nanotråde 5, 000 gange mere ledende end G. svovlreducens ledninger. Lovley husker, "Jeg isolerede metallireducener fra mudder i Potomac-floden for 30 år siden, og hvert par år giver det os en ny overraskelse."

I deres nye undersøgelse støttet af U.S. Office of Naval Research, de studerede ikke G. metallireducens stamme direkte. I stedet, de tog genet for proteinet, der samles til mikrobielle nanotråde fra det og indsatte dette i G. svovlreducens . Resultatet er en genetisk modificeret G. svovlreducens der udtrykker G. metallireducens protein, gør nanotråde meget mere ledende end G. svovlreducens naturligt ville producere.

Yderligere, Lovely siger, ”Det har vi fundet ud af G. svovlreducens vil udtrykke filamentgener fra mange forskellige typer bakterier. Dette gør det nemt at producere en mangfoldighed af filamenter i den samme mikroorganisme og at studere deres egenskaber under lignende forhold."

"Med denne tilgang, vi prospekterer gennem den mikrobielle verden for at se, hvad der er derude i form af nyttige ledende materialer, " tilføjer han. "Der er et stort reservoir af filamentgener i den mikrobielle verden, og nu kan vi studere filamenterne produceret fra disse gener, selvom genet kommer fra en mikrobe, der aldrig er blevet dyrket."

Forskerne tilskriver G. metallireducens nanotrådes ekstraordinært høje ledningsevne til dens større overflod af aromatiske aminosyrer. Tætpakkede aromatiske ringe ser ud til at være en nøglekomponent i mikrobiel nanotrådsledningsevne, og flere aromatiske ringe betyder sandsynligvis bedre forbindelser til elektronoverførsel langs proteinfilamenterne.

Den høje ledningsevne af G. metallireducens nanotråde antyder, at de kan være et attraktivt materiale til konstruktion af ledende materialer, elektroniske enheder og sensorer til medicinske eller miljømæssige applikationer. Forfatterne siger, at opdagelse af mere om mekanismerne bag nanotrådsledningsevne "giver vigtig indsigt i, hvordan vi kan lave endnu bedre ledninger med gener, som vi selv designer."