Livet har alltid spelat efter sina egna molekylära regler. Från biokemin bakom de första cellerna, evolutionen har konstruerat underverk som hårt ben, grov bark och växt enzymer som skördar ljus för att göra mat.

Men våra verktyg för att manipulera livet – att behandla sjukdomar, reparera skadad vävnad och ersätt förlorade lemmar – kommer från det icke-levande riket:metaller, plast och liknande. Även om dessa räddar och bevarar liv, våra syntetiska behandlingar har sina rötter i ett kemiskt språk som inte passar vår ekologiska elegans. Implanterade elektroder ärr, ledningarna överhettas och våra kroppar kämpar mot dåligt passande pumpar, rör eller ventiler.

En lösning ligger i att överbrygga denna klyfta där konstgjorda möter biologiska – utnyttja biologiska regler för att utbyta information mellan biokemin i våra kroppar och kemin i våra enheter. I en tidning publicerad 22 september in Vetenskapliga rapporter , ingenjörer vid University of Washington avslöjade peptider – små proteiner som utför otaliga viktiga uppgifter i våra celler – som kan ge just en sådan länk.

Laget, ledd av UW professor Mehmet Sarikaya vid institutionerna för materialvetenskap och teknik, visar hur en genetiskt modifierad peptid kan sättas ihop till nanotrådar ovanpå 2-D, fasta ytor som bara är ett enda lager atomer tjocka. Dessa nanotrådssammansättningar är kritiska eftersom peptiderna vidarebefordrar information över bio/nano-gränssnittet genom molekylär igenkänning - samma principer som ligger till grund för biokemiska interaktioner som en antikropp som binder till dess specifika antigen eller proteinbindning till DNA.

Eftersom denna kommunikation är tvåvägs, med peptider som förstår teknikens "språk" och vice versa, deras tillvägagångssätt möjliggör i huvudsak ett sammanhängande bioelektroniskt gränssnitt.

"Att överbrygga denna klyfta skulle vara nyckeln till att bygga framtidens genetiskt modifierade biomolekylära fasta tillståndsanordningar, "sa Sarikaya, som också är professor i kemiteknik och munhälsovetenskap.

Hans team i UW Genetically Engineered Materials Science and Engineering Center studerar hur man samverkar livets kemi för att syntetisera material med tekniskt betydelsefulla fysiska, elektroniska och fotoniska egenskaper. Till Sarikaya, livets biokemiska "språk" är en logisk emulering.

"Naturen måste ständigt tillverka material för att utföra många av samma uppgifter som vi söker, " han sa.

UW -teamet vill hitta genetiskt manipulerade peptider med specifika kemiska och strukturella egenskaper. De sökte en peptid som kunde interagera med material som guld, titan och till och med ett mineral i ben och tänder. Dessa kan alla utgöra grunden för framtida biomedicinska och elektrooptiska enheter. Deras idealiska peptid bör också förändra de fysiska egenskaperna hos syntetiska material och svara på den förändringen. På det sättet, det skulle överföra "information" från det syntetiska materialet till andra biomolekyler – överbrygga den kemiska klyftan mellan biologi och teknologi.

När de undersökte egenskaperna hos 80 genetiskt utvalda peptider - som inte finns i naturen men har samma kemiska komponenter i alla proteiner - upptäckte de att en, GrBP5, visade lovande interaktioner med den halvmetalliska grafenen. De testade sedan GrBP5:s interaktioner med flera 2-D nanomaterial som, Sarikaya sa, "kan tjäna som framtidens metaller eller halvledare."

"Vi behövde känna till de specifika molekylära interaktionerna mellan denna peptid och dessa oorganiska fasta ytor, " han lade till.

Deras experiment avslöjade att GrBP5 spontant organiserades i ordnade nanotrådsmönster på grafen. Med några mutationer, GrBP5 ändrade också den elektriska ledningsförmågan hos en grafenbaserad enhet, det första steget mot att överföra elektrisk information från grafen till celler via peptider.

Parallellt, Sarikayas team modifierade GrBP5 för att producera liknande resultat på ett halvledarmaterial - molybdendisulfid - genom att omvandla en kemisk signal till en optisk signal. De förutspådde också beräkningsmässigt hur olika arrangemang av GrBP5 nanotrådar skulle påverka den elektriska ledningen eller optiska signalen för varje material, visar ytterligare potential inom GrBP5:s fysiska egenskaper.

"På ett sätt, vi är vid översvämningsportarna, ", sa Sarikaya. "Nu måste vi utforska de grundläggande egenskaperna hos den här bron och hur vi kan modifiera den för att tillåta flödet av "information" från elektroniska och fotoniska enheter till biologiska system."