Forskare vid University of Massachusetts Amherst rapporterar i det aktuella numret av Små att de genetiskt har designat en ny bakteriestam som spinner ut extremt tunna och starkt ledande ledningar som enbart består av giftfria, naturliga aminosyror.

Forskare ledda av mikrobiologen Derek Lovely säger att ledningarna, som konkurrerar med de tunnaste trådarna som människan känner, tillverkas av förnybara, billiga råvaror och undvik de hårda kemiska processer som vanligtvis används för att producera nanoelektroniska material.

Loveley säger, "Nya källor till elektroniskt material behövs för att möta den ökande efterfrågan på att göra mindre, mer kraftfulla elektroniska enheter på ett hållbart sätt." Möjligheten att massproducera sådana tunna ledande ledningar med denna hållbara teknik har många potentiella tillämpningar i elektroniska enheter, fungerar inte bara som ledningar, men även transistorer och kondensatorer. Föreslagna tillämpningar inkluderar biokompatibla sensorer, datorenheter, och som komponenter i solpaneler.

Detta framsteg började för ett decennium sedan, när Lovley och kollegor upptäckte att Geobacter, en vanlig jordmikroorganism, kunde producera "mikrobiella nanotrådar, " elektriskt ledande proteinfilament som hjälper mikroben att växa på de järnmineraler som finns i marken. Dessa mikrobiella nanotrådar var tillräckligt ledande för att möta bakteriens behov, men deras konduktivitet var långt under konduktiviteten hos organiska trådar som kemister kunde syntetisera.

"När vi lärde oss mer om hur de mikrobiella nanotrådarna fungerade insåg vi att det kan vara möjligt att förbättra naturens design, " säger Lovley. "Vi visste att en klass av aminosyror var viktig för konduktiviteten, så vi ordnade om dessa aminosyror för att producera en syntetisk nanotråd som vi trodde kunde vara mer ledande."

Knepet de upptäckte för att åstadkomma detta var att introducera tryptofan, en aminosyra som inte finns i de naturliga nanotrådarna. Tryptofan är en vanlig aromatisk aminosyra som är ökänd för att orsaka dåsighet efter att ha ätit Thanksgiving-kalkon. Dock, den är också mycket effektiv på nanoskala för att transportera elektroner.

"Vi designade en syntetisk nanotråd där en tryptofan sattes in där naturen hade använt en fenylalanin och lagt i en annan tryptofan för en av tyrosinerna. Vi hoppades att vi skulle ha tur och att Geobacter fortfarande skulle kunna bilda nanotrådar av denna syntetiska peptid och kanske fördubbla nanotråden. ledningsförmåga, säger Lovley.

Resultaten överträffade avsevärt forskarnas förväntningar. De genetiskt modifierade en stam av Geobacter och tillverkade stora mängder av de syntetiska nanotrådarna 2000 gånger mer ledande än den naturliga biologiska produkten. En extra bonus är att de syntetiska nanotrådarna, som Lovley refererar till som "biowire, " hade en diameter som bara var hälften så stor som naturprodukten.

"Vi blev blåsta av det här resultatet, " säger Lovley. Konduktiviteten hos biotråd överstiger den för många typer av kemiskt framställda organiska nanotrådar med liknande diametrar. Den extremt tunna diametern på 1,5 nanometer (över 60, 000 gånger tunnare än ett människohår) gör att tusentals av trådarna lätt kan packas in i ett mycket litet utrymme.

Den extra fördelen är att tillverkning av biotråd inte kräver någon av de farliga kemikalier som behövs för syntes av andra nanotrådar. Också, biowire innehåller inga giftiga komponenter. "Geobacter kan odlas på billiga förnybara ekologiska råvaror så det är en mycket "grön" process, " noterar han. Och, även om biotråden är gjord av protein, den är extremt hållbar. Faktiskt, Lovleys labb fick arbeta i månader för att etablera en metod för att bryta ner det.

"Det är ett ganska ovanligt protein, " säger Lovley. "Detta kan bara vara början", tillägger han. Forskare i hans labb producerade nyligen mer än 20 andra Geobacter-stammar, var och en producerar en distinkt biowire-variant med nya aminosyrakombinationer. Han noterar, "Jag hoppas att vår första framgång kommer att locka mer finansiering för att påskynda upptäcktsprocessen. Vi hoppas att vi kan modifiera biowire på andra sätt för att utöka dess potentiella tillämpningar."