Upptäckten av en grundläggande, tidigare okänd egenskap hos mikrobiella nanotrådar i bakterien Geobacter sulfurreducens som tillåter elektrontransport över långa avstånd kan revolutionera nanoteknik och bioelektronik, säger ett team av fysiker och mikrobiologer vid University of Massachusetts Amherst.

Deras resultat rapporterades i den 7 augusti i förväg onlineutgåvan av Naturnanoteknik kan en dag leda till billigare, icke -toxiska nanomaterial för biosensorer och elektronik i fast tillstånd som gränsar mot biologiska system.

Ledande mikrobiolog Derek Lovley med fysikerna Mark Tuominen, Nikhil Malvankar och kollegor, säg nätverk av bakteriefilament, känd som mikrobiella nanotrådar eftersom de leder elektroner längs deras längd, kan flytta laddningar lika effektivt som syntetiska organiska metalliska nanostrukturer, och de gör det över anmärkningsvärda avstånd, tusentals gånger bakteriens längd.

Nätverk av mikrobiella nanotrådar som går genom biofilm, som är sammanhängande aggregat av miljarder celler, ge denna biologiska materialkonduktivitet jämförbar med den som finns i syntetiska ledande polymerer, som vanligtvis används inom elektronikindustrin.

Lovley säger, "Proteinfilamentens förmåga att leda elektroner på detta sätt är ett paradigmskifte i biologin och har konsekvenser för vår förståelse av naturliga mikrobiella processer samt praktiska konsekvenser för miljörensning och utveckling av förnybara energikällor."

Upptäckten representerar en grundläggande förändring i förståelsen av biofilmer, Tillägger Malvankar. "I denna art, biofilmen innehåller proteiner som beter sig som en metall, ledande elektroner över en mycket lång sträcka, i princip så långt du kan förlänga biofilmen. "

Tuominen, huvudfysikern, lägger till, "Denna upptäckt lägger inte bara fram en viktig ny princip inom biologi utan i materialvetenskap. Vi kan nu undersöka en rad nya ledande nanomaterial som lever, naturligt förekommande, giftfri, lättare att producera och billigare än konstgjorda. De kan till och med tillåta oss att använda elektronik i vatten och fuktiga miljöer. Det öppnar spännande möjligheter för biologiska och energitillämpningar som inte var möjliga tidigare. "

Forskarna rapporterar att detta är första gången metallliknande ledning av elektrisk laddning längs ett proteinfilament har observerats. Man trodde tidigare att sådan ledning skulle kräva en mekanism som involverar en rad andra proteiner som kallas cytokromer, med elektroner som gör korta hopar från cytokrom till cytokrom. Däremot, UMass Amherst-teamet har visat långdistansledning i frånvaro av cytokromer. Geobacter -filamenten fungerar som en sann tråd.

I naturen, Geobacter använder sina mikrobiella nanotrådar för att överföra elektroner till järnoxider, naturliga rostliknande mineraler i jord, att för Geobacter tjänar samma funktion som syre gör för människor. "Vad Geobacter kan göra med sina nanotrådar liknar att andas genom en snorkel som är 10 kilometer lång, säger Malvankar.

UMass Amherst -gruppen hade föreslagit i ett 2005 paper i Nature att Geobacters nanotrådar skulle kunna representera en ny grundläggande egenskap inom biologi, men de hade ingen mekanism, så möttes med stor skepsis. För att fortsätta experimentera, Lovley och kollegor utnyttjade det faktum att i laboratoriet kommer Geobacter att växa på elektroder, som ersätter järnoxiderna. På elektroder, bakterierna producerar tjocka, elektriskt ledande biofilmer. I en serie studier med genetiskt modifierade stammar, forskarna fann att den metallliknande konduktiviteten i biofilmen kan hänföras till ett nätverk av nanotrådar som sprider sig genom biofilmen.

Dessa speciella strukturer är avstämbara på ett sätt som inte setts tidigare, fann UMass Amherst -forskarna. Tuominen påpekar att det är välkänt inom nanoteknologi att konstgjorda nanotrådsegenskaper kan ändras genom att förändra sin omgivning. Geobacters naturliga tillvägagångssätt är unikt för att låta forskare manipulera ledande egenskaper genom att helt enkelt ändra temperaturen eller reglera genuttryck för att skapa en ny stam, till exempel. Malvankar tillägger att genom att introducera en tredje elektrod, en biofilm kan fungera som en biologisk transistor, kan slås på eller av med en spänning.

En annan fördel Geobacter erbjuder är dess förmåga att producera naturmaterial som är mer miljövänliga och lite billigare än konstgjorda. En hel del av dagens nanotekniska material är dyra att tillverka, många kräver sällsynta element, säger Tuominen. Geobacter är ett riktigt naturligt alternativ. "Som någon som studerar material, Jag ser nanotrådarna i denna biofilm som ett nytt material, en som bara råkar vara gjord av naturen. Det är spännande att det kan överbrygga klyftan mellan elektronik i solid state och biologiska system. Det är biokompatibelt på ett sätt som vi inte har sett förut. "

Lovley kvittar, "Vi gör i princip elektronik av ättika. Det kan inte bli mycket billigare eller mer" grönt "än så."

Till sist, detta är en berättelse om tvärvetenskapligt samarbete, vilket är mycket svårare att åstadkomma än det låter, Säger Lovley. "Vi hade mycket tur att ha flexibel finansiering från Office of Naval Research, energidepartementet och National Science Foundation som tillät oss att följa några aningar. Också, det tog en fysikdoktorand som var modig nog att komma över till mikrobiologi för att arbeta med något vått och slemmigt. "Den studenten, Nikhil Malvankar, nu är en postdoktor som tillsammans med Lovley och Tuominen kommer att fortsätta utforska vad som ger Geobacter's proteinfilament deras unika elektriska egenskaper.