En mikrobiell proteinfiber som upptäckts av en forskare från Michigan State University transporterar avgifter med tillräckligt höga hastigheter för att användas i konstgjord nanoteknik.

Upptäckten, med i det aktuella numret av Vetenskapliga rapporter , beskriver den höghastighetsproteinfiber som produceras av uranreducerande Geobacter-bakterier. Fibrerna är hårliknande proteinfilament som kallas "pili" som har den unika egenskapen att transportera laddningar med hastigheter på 1 miljard elektroner per sekund.

"Denna mikrobiella nanotråd är gjord av bara en enda peptidsubenhet, " sa Gemma Reguera, huvudförfattare och MSU mikrobiolog. "Att vara gjord av protein, dessa organiska nanotrådar är biologiskt nedbrytbara och biokompatibla. Denna upptäckt öppnar således många applikationer inom nanoelektronik, såsom utvecklingen av medicinska sensorer och elektroniska enheter som kan kopplas samman med mänskliga vävnader."

Eftersom existerande nanoteknik införlivar exotiska metaller i sin design, kostnaden för organiska nanotrådar är också mycket mer kostnadseffektiva, tillade hon.

Hur nanotrådarna fungerar i naturen är jämförbart med andning. Bakterieceller, som människor, måste andas. Andningsprocessen innebär att elektroner flyttas ut ur en organism. Geobacter-bakterier använder proteinet nanotrådar för att binda och andas metallhaltiga mineraler som järnoxider och lösliga giftiga metaller som uran. Toxinerna mineraliseras på nanotrådarnas yta, förhindrar att metallerna tränger igenom cellen.

Regueras team renade sina proteinfibrer, som är cirka 2 nanometer i diameter. Genom att använda samma verktygsuppsättning av nanoteknologer, forskarna kunde mäta de höga hastigheterna med vilka proteinerna passerade elektroner.

"De är som kraftledningar på nanoskala, ", sa Reguera. "Detta är också den första studien som visar elektroners förmåga att resa så långa sträckor - mer än en 1, 000 gånger vad som tidigare har bevisats – tillsammans med proteiner."

Forskarna identifierade också metallfällor på ytan av proteinnanotrådarna som binder uran med stor affinitet och potentiellt kan fånga andra metaller. Dessa fynd kan utgöra grunden för system som integrerar proteinnanotrådar för att bryta guld och andra ädla metaller, scrubbers som kan sättas in för att immobilisera uran på saneringsplatser med mera.

Regueras nanotrådar kan också modifieras för att hitta andra material som hjälper dem att andas.

"Geobacter-cellerna gör dessa proteinfibrer naturligt för att andas vissa metaller. Vi kan använda genteknik för att justera de elektroniska och biokemiska egenskaperna hos nanotrådarna och möjliggöra nya funktioner. Vi kan också efterlikna den naturliga tillverkningsprocessen i labbet för att massproducera dem i billiga och miljövänliga processer, ", sa Reguera. "Detta kontrasterar dramatiskt med tillverkningen av konstgjorda oorganiska nanotrådar, som innebär höga temperaturer, giftiga lösningsmedel, dammsugare och specialutrustning."

Denna upptäckt kom från att verkligen lyssna på bakterier, sa Reguera.

"Proteinet får äran, men vi kan inte glömma att tacka bakterierna som uppfann detta, " sa hon. "Det är alltid klokt att gå tillbaka och fråga bakterier vad mer de kan lära oss. På ett sätt, vi avlyssnar mikrobiella samtal. Det är som att lyssna på våra äldre, lära sig av sin visdom och ta den vidare."