(PhysOrg.com) -- Elektriska ingenjörer har länge lekt med idén att designa biologiska molekyler som kan integreras direkt i elektroniska kretsar. Forskare från University of Pennsylvania har utvecklat ett sätt att forma dessa strukturer så att de kan fungera i utomhusmiljöer, och, viktigare, har utvecklat en ny mikroskopteknik som kan mäta de elektriska egenskaperna hos dessa och liknande enheter.

Forskningen utfördes av Dawn Bonnell, Förtroendeordförande professor och chef för Nano/Bio Interface Center, doktorander Kendra Kathan-Galipeau och Maxim Nikiforov och postdoktor Sanjini Nanayakkara, hela institutionen för materialvetenskap och teknik i Penns School of Engineering and Applied Science. De samarbetade med biträdande professor Bohdana Discher vid institutionen för biofysik och biokemi vid Penns Perelman School of Medicine och Paul A. O'Brien, en doktorand i Penns Biotechnology Masters Program.

Deras arbete publicerades i tidskriften ACS Nano .

Utvecklingen involverar artificiella proteiner, buntar av peptidspiraler med en fotoaktiv molekyl inuti. Dessa proteiner är ordnade på elektroder, som är gemensamma för kretsar som överför elektriska laddningar mellan metalliska och icke-metalliska element. När ljus lyser på proteinerna, de omvandlar fotoner till elektroner och skickar dem till elektroden.

"Det är en liknande mekanism som vad som händer när växter absorberar ljus, förutom i det fallet används elektronen för en del kemi som skapar energi för växten, sa Bonnell. "I det här fallet, vi vill använda elektronen i elektriska kretsar.”

Liknande peptidsammansättningar hade studerats i lösning tidigare av flera grupper och hade testats för att visa att de verkligen reagerar på ljus. Men det fanns inget sätt att kvantifiera deras omgivande elektriska egenskaper, särskilt kapacitans, mängden elektrisk laddning som enheten rymmer.

"Det är nödvändigt att förstå den här typen av egenskaper i molekylerna för att göra enheter av dem. Vi har studerat kisel i 40 år, så vi vet vad som händer med elektronerna där, sa Bonnell. "Vi visste inte vad som händer med elektroner på torra elektroder med dessa proteiner; vi visste inte ens om de skulle förbli fotoaktiva när de fästes på en elektrod.”

Att designa kretsar och enheter med kisel är i sig enklare än med proteiner. De elektriska egenskaperna hos en stor del av ett enda element kan mätas och sedan skalas ner, men komplexa molekyler som dessa proteiner kan inte skalas upp. Diagnostiska system som kunde mäta deras egenskaper med nanometerkänslighet fanns helt enkelt inte.

Forskarna behövde därför uppfinna både ett nytt sätt att mäta dessa egenskaper och ett kontrollerat sätt att tillverka fotovoltaiska proteiner som skulle likna hur de så småningom skulle kunna införlivas i enheter utomhus, vardagliga miljöer, snarare än att simma i en kemisk lösning.

För att lösa det första problemet, teamet utvecklade en ny typ av atomkraftmikroskopteknik, känd som torsionsresonans nanoimpedansmikroskopi. Atomkraftsmikroskop fungerar genom att föra en extremt smal kiselspets mycket nära en yta och mäta hur spetsen reagerar, ger en rumslig känslighet på några nanometer ner till enskilda atomer.

"Vad vi har gjort i vår version är att använda en metallisk spets och lägga ett oscillerande elektriskt fält på den. Genom att se hur elektroner reagerar på fältet, vi kan mäta mer komplexa interaktioner och mer komplexa egenskaper, såsom kapacitans, sa Bonnell.

Bohdana Dischers grupp designade de självmonterande proteinerna ungefär som de hade gjort tidigare men tog det ytterligare steget att stämpla dem på ark av grafitelektroder. Denna tillverkningsprincip och förmågan att mäta de resulterande enheterna kan ha en mängd olika tillämpningar.

"Fotovoltaik - solceller - är kanske det enklaste att föreställa sig, men där detta arbete pågår på kortare sikt är biokemiska sensorer, sa Bonnell.

Istället för att reagera på fotoner, proteiner kan utformas för att producera en laddning när de är i närvaro av vissa toxiner, antingen byter färg eller fungerar som ett kretselement i en pryl i mänsklig skala.