Bakterier nanotråde kunne hjælpe med at udvikle grøn elektronik

Konstruerede proteinfilamenter, der oprindeligt blev produceret af bakterier, er blevet modificeret af forskere til at lede elektricitet. I en undersøgelse offentliggjort for nylig i tidsskriftet Small , afslørede forskere, at protein nanotråde - som blev modificeret ved at tilføje en enkelt forbindelse - kan lede elektricitet over korte afstande og udnytte energi fra fugt i luften.

"Vores resultater åbner op for muligheder for at udvikle bæredygtige og miljøvenlige elektriske komponenter og enheder baseret på proteiner," siger Dr. Lorenzo Travaglini, hovedforfatter på papiret. "Disse konstruerede nanotråde kan en dag føre til innovationer inden for energihøst, biomedicinske applikationer og miljøfølelse."

Udviklingen på det tværfaglige område, der kombinerer proteinteknologi og nanoelektronik, lover også at udvikle banebrydende teknologier, der bygger bro mellem biologiske systemer og elektroniske enheder.

"I sidste ende er vores mål at modificere de materialer, der produceres af bakterier, for at skabe elektroniske komponenter. Dette kan føre til en helt ny æra af grøn elektronik, der er med til at forme en mere bæredygtig fremtid," siger Dr. Travaglini, som er superviseret af Dr. Dominic Glover i SYNbioLAB fra School of Biotechnology and Biomolecular Sciences.

At hente inspiration fra naturen

Elektricitet skabes ved bevægelse af elektroner – små partikler, der bærer en elektrisk ladning – mellem atomer.

"Masser af begivenheder i naturen kræver bevægelse af elektroner og er inspirationskilden til nye elektricitetshøstteknikker," siger Dr. Travaglini. "For eksempel skal klorofyl i planter flytte elektroner mellem forskellige proteiner for at fotosyntetisere."

Naturligt forekommende bakterier bruger også ledende filamenter, kendt som nanotråde, til at overføre elektroner over deres membraner. Det er vigtigt, at bakterielle nanotråde, der leder elektricitet, har potentialet til at interagere med biologiske systemer, såsom levende celler, og kan bruges i biosensing til at overvåge interne signaler fra kroppen ved hjælp af en menneske-maskine-grænseflade.

Men når de udvindes direkte fra bakterier, er disse naturlige nanotråde svære at modificere og har begrænset funktionalitet.

"For at overvinde disse begrænsninger, gensplejste vi en fiber ved hjælp af bakterierne E. coli," siger Dr. Travaglini. "Vi modificerede DNA'et fra E. coli, så bakterierne ikke kun producerede de proteiner, de havde brug for for at overleve, men også byggede det specifikke protein, vi havde designet, som vi derefter konstruerede og samlede til nanotråde i laboratoriet."

Holdet vidste, at proteinet produceret af bakterierne i sig selv ikke ville være stærkt ledende, men at de ville være nødt til at tilføje en enkelt ingrediens.

Den manglende del af puslespillet var et hæm-molekyle.

Udnyttelse af fugt til at skabe energi

Hæm er en cirkulær struktur - kendt som en porphyrinring - med et jernatom, der sidder i midten. Det er ansvarligt for at transportere ilt i røde blodlegemer fra lungerne til resten af ​​kroppen.

Nyere forskning har antydet, at når hæm-molekyler er arrangeret tæt sammen, muliggør de elektronoverførsel. Så Dr. Travaglini og hans team integrerede hæm i filamenterne produceret af bakterierne, idet de havde mistanke om, at elektronerne kunne springe mellem hæm-molekyler, hvis de var placeret tæt nok sammen.

I laboratoriet målte holdet konduktansen af ​​de konstruerede filamenter ved at lægge en film af materialet hen over en elektrode og påføre et elektrisk potentiale. "Som vi havde forventet, fandt vi ud af, at ved at tilføje hæm til filamentet, blev proteinet ledende, hvorimod det bare filament uden hæm ikke viste nogen strøm," siger Dr. Travaglini.

Mens Dr. Travaglini og Dr. Glover oprindeligt havde sat sig for at modulere et naturligt forekommende materiale til en ledende ledning, opdagede de nogle overraskende resultater.

"Vi kørte konduktivitetstesten i et kammer, hvor du kan kontrollere de ydre forhold," siger Dr. Travaglini. "Vi begyndte at bemærke, at den elektriske strøm var stærkere under, hvad der betragtes som 'omgivelsesforhold', mellem 20%-30% luftfugtighed."

Holdet besluttede at udføre flere tests ved at bruge tykkere mængder af materialet, klemt mellem to guldelektroder. "Vi har foreslået, at fugtigheden skabte en gradient af ladning på tværs af materialets dybde," siger Dr. Travaglini. "Og denne ubalancerede ladning på tværs af filmen er i stand til at skabe en kort strøm uden at skulle anvende noget potentiale overhovedet."

Da de opdagede, at glødetråden reagerede på fugt, skabte de en simpel fugtighedssensor til at måle, hvordan strømmen reagerede på fugt i luften, ved blot at trække vejret på enheden. "Vi fandt ud af, at hver top i fiberens ledningsevne svarede til en udånding," siger Dr. Travaglini.

Et skridt i den rigtige retning

Denne forskning kunne åbne døren til muligheden for at producere elektriske enheder, der stammer fra bæredygtige og ikke-giftige materialer, der kræver ultra-lav strøm.

"Den elektronik, vi plejer at bruge, er skabt gennem processer, der kræver høje temperaturer og er meget energikrævende. De er ikke grønne, og de materialer, de kommer fra, kan være giftige," siger Dr. Travaglini. "At bruge biomaterialer til at skabe elektricitet er langt mere miljøvenligt. Vi kan producere disse filamenter fra bakterier, og det er skalerbart."

Egenskaberne af disse proteinsamlinger kunne også indstilles ved at modulere den kemiske struktur af hæm eller det omgivende miljø af filamentet. Holdet eksperimenterer i øjeblikket med at inkorporere forskellige porfyrmolekyler for at ændre materialets egenskaber, herunder lysfølsomme. "Dette kontrolniveau er svært at opnå med naturlige bakterielle nanotråde, hvilket fremhæver alsidigheden og potentialet i vores syntetiske tilgang," siger Dr. Travaglini.

Dr. Travaglini fremhæver, at hans team stadig er i de tidlige stadier af forskning, og der kan gå et stykke tid, før vi ser disse konstruerede filamenter brugt i vores daglige elektronik. "Det er virkelig et spørgsmål om oversættelse," siger han. "Vi ved ikke præcis, hvor lang tid det kommer til at tage, men vi kan se, at vi går i den rigtige retning."

Flere oplysninger: Lorenzo Travaglini et al., Fremstilling af elektronisk ledende protein-hæm nanotråde til strømhøstning, Små (2024). DOI:10.1002/smll.202311661

Journaloplysninger: Lille

Leveret af University of New South Wales