Live wire:Ny forskning om nanoelektronik

Proteiner er blandt de mest alsidige og allestedsnærværende biomolekyler på jorden. Naturen bruger dem til alt fra at bygge væv til at regulere stofskiftet til at forsvare kroppen mod sygdom.

Nu viser en ny undersøgelse, at proteiner har andre, stort set uudforskede egenskaber. Under de rigtige forhold kan de fungere som små, strømførende ledninger, nyttige til en række menneskeligt designet nanoelektronik.

I ny forskning, der vises i tidsskriftet ACS Nano, Stuart Lindsay og hans kolleger viser, at visse proteiner kan fungere som effektive elektriske ledere. Faktisk kan disse små proteintråde have bedre konduktansegenskaber end lignende nanotråde sammensat af DNA, som allerede har opnået betydelig succes til en lang række menneskelige anvendelser.

Professor Lindsay leder Biodesign Center for Single-Molecule Biophysics. Han er også professor ved ASU's Institut for Fysik og Skolen for Molekylær Videnskab.

Ligesom i tilfældet med DNA, tilbyder proteiner mange attraktive egenskaber for elektronik i nanoskala, herunder stabilitet, afstembar ledningsevne og stor informationslagringskapacitet. Selvom proteiner traditionelt var blevet betragtet som dårlige ledere af elektricitet, ændrede alt det sig for nylig, da Lindsay og hans kolleger demonstrerede, at et protein placeret mellem et par elektroder kunne fungere som en effektiv leder af elektroner.

Den nye forskning undersøger fænomenet elektrontransport gennem proteiner mere detaljeret. Undersøgelsesresultaterne fastslår, at proteinnanotråde over lange afstande udviser bedre konduktansegenskaber end kemisk syntetiserede nanotråde, der er specielt designet til at være ledere. Derudover er proteiner selvorganiserende og giver mulighed for atom-skala kontrol af deres bestanddele.

Syntetisk designede protein nanotråde kunne give anledning til ny ultralille elektronik med potentielle anvendelser til medicinsk sansning og diagnostik, nanorobotter til at udføre eftersøgning og ødelægge missioner mod sygdomme eller i en ny race af ultrasmå computertransistorer. Lindsay er især interesseret i potentialet af protein nanotråde til brug i nye enheder til at udføre ultrahurtig DNA- og proteinsekventering, et område, hvor han allerede har gjort betydelige fremskridt.

Ud over deres rolle i nanoelektroniske enheder er ladningstransportreaktioner afgørende i levende systemer for processer, herunder respiration, metabolisme og fotosyntese. Derfor kan forskning i transportegenskaber gennem designede proteiner kaste nyt lys over, hvordan sådanne processer fungerer i levende organismer.

Mens proteiner har mange af fordelene ved DNA til nanoelektronik med hensyn til elektrisk ledningsevne og selvsamling, tilbyder det udvidede alfabet på 20 aminosyrer, der bruges til at konstruere dem, et forbedret værktøjssæt for nanoarkitekter som Lindsay, sammenlignet med kun fire nukleotider, der udgør DNA .

Transitmyndighed

Selvom elektrontransport har været et fokus for betydelig forskning, er arten af ​​strømmen af ​​elektroner gennem proteiner forblevet noget af et mysterium. I store træk kan processen ske gennem elektrontunneling, en kvanteeffekt, der opstår over meget korte afstande eller gennem hop af elektroner langs en peptidkæde - i tilfælde af proteiner, en kæde af aminosyrer.

Et formål med undersøgelsen var at bestemme, hvilke af disse regimer, der syntes at fungere ved at foretage kvantitative målinger af elektrisk ledningsevne over forskellige længder af protein nanotråd. Undersøgelsen beskriver også en matematisk model, der kan bruges til at beregne proteiners molekylær-elektroniske egenskaber.

Til eksperimenterne brugte forskerne proteinsegmenter i fire nanometer intervaller, der spænder fra 4-20 nanometer i længden. Et gen blev designet til at producere disse aminosyresekvenser fra en DNA-skabelon, hvor proteinlængderne derefter blev bundet sammen til længere molekyler. Et meget følsomt instrument kendt som et scanning tunneling mikroskop blev brugt til at foretage præcise målinger af konduktans, mens elektrontransporten skred frem gennem protein nanotråden.

Dataene viser, at ledningsevnen falder over nanotrådslængden på en måde, der stemmer overens med elektronernes hop snarere end tunneling. Specifikke aromatiske aminosyrerester (seks tyrosiner og en tryptofan i hver proptrækker i proteinet) hjælper med at guide elektronerne langs deres vej fra punkt til punkt som på hinanden følgende stationer langs en togrute. "Elektrontransporten er ligesom at springe sten over vandet - stenen har ikke tid til at synke på hver skip," siger Lindsay.

Wire vidundere

Mens konduktansværdierne for proteinnanotrådene faldt over afstand, gjorde de det mere gradvist end med konventionelle molekylære ledninger, der er specielt designet til at være effektive ledere.

Da proteinnanotrådene oversteg seks nanometer i længden, overgik deres ledningsevne molekylære nanotråde, hvilket åbnede døren til deres brug i mange nye applikationer. Det faktum, at de subtilt kan designes og ændres med atomskalakontrol og selvsamlede fra en genskabelon, tillader finjusterede manipulationer, der langt overstiger, hvad der i øjeblikket kan opnås med konventionelt transistordesign.

En spændende mulighed er at bruge sådanne protein nanotråde til at forbinde andre komponenter i en ny suite af nanomaskiner. For eksempel kan nanotråde bruges til at forbinde et enzym kendt som en DNA-polymerase til elektroder, hvilket resulterer i en enhed, der potentielt kan sekventere et helt menneskeligt genom til lave omkostninger på under en time. En lignende tilgang kunne tillade integration af proteosomer i nanoelektroniske enheder, der er i stand til at læse aminosyrer til proteinsekventering.

"Vi begynder nu at forstå elektrontransporten i disse proteiner. Når først du har kvantitative beregninger, har du ikke kun gode molekylære elektroniske komponenter, men du har en opskrift på at designe dem," siger Lindsay. "Hvis du tænker på SPICE-programmet, som elektriske ingeniører bruger til at designe kredsløb, er der et glimt nu, hvor du kunne få dette til proteinelektronik." + Udforsk yderligere

Forskere afslører, hvorfor nanotråde klæber til hinanden