Mikrobiologer vid University of Massachusetts Amherst rapporterar att de har upptäckt en ny typ av naturtråd producerad av bakterier som kraftigt kan påskynda forskarnas mål att utveckla hållbara ”gröna” ledande material för elektronikindustrin. Studien av Derek Lovley och kollegor visas den här veckan i mBio , American Society of Microbiology främsta tidskrift.

Forskarna studerade mikrobiella nanotrådar, proteinfilament som bakterier använder naturligt för att skapa elektriska anslutningar med andra mikrober eller mineraler.

Som Lovley förklarar, "Mikrobiella nanotrådar är ett revolutionerande elektroniskt material med betydande fördelar jämfört med konstgjorda material. Kemiskt syntetisering av nanotrådar i laboratoriet kräver giftiga kemikalier, höga temperaturer och/eller dyra metaller. Energikraven är enorma. Däremot, naturliga mikrobiella nanotrådar kan massproduceras vid rumstemperatur från billiga förnybara råvaror i bioreaktorer med mycket lägre energitillförsel. Och den slutliga produkten är fri från giftiga komponenter. "

"Mikrobiella nanotrådar erbjuder därför en oöverträffad potential för utveckling av nya material, elektroniska enheter och sensorer för olika applikationer med en ny miljövänlig teknik, "tillägger han." Detta är ett viktigt framsteg inom mikrobiell nanotrådsteknik. Det tillvägagångssätt vi beskriver i detta dokument visar en snabb metod för prospektering i naturen för att hitta bättre elektroniskt material. "

Fram till nu har Lovely's lab arbetat med nanotrådarna av bara en bakterie, Geobacter sulfurreducens . "Våra tidiga studier fokuserade på den Geobacter för vi försökte bara förstå varför en mikrobe skulle göra små trådar, "Säger Lovley." Nu är vi mest intresserade av nanotrådarna som ett elektroniskt material och skulle bättre förstå hela omfattningen av vad naturen kan erbjuda för dessa praktiska tillämpningar. "

När hans labb började titta på proteinfilamenten hos andra Geobacter arter, de blev förvånade över att hitta ett brett spektrum av konduktiviteter. Till exempel, en art som återhämtats från uranförorenad jord producerade dåligt ledande trådar. Dock, en annan art, Geobacter metallreducens - tillfälligt den första Geobacter någonsin isolerade - producerade nanotrådar 5, 000 gånger mer ledande än G. sulfureducens trådar. Lovley påminner om, "Jag isolerade metallreducener från lera i Potomacfloden för 30 år sedan, och vartannat år ger det oss en ny överraskning. "

I sin nya studie som stöds av U.S.Office of Naval Research, de studerade inte G. metallireducens spänna direkt. Istället, de tog genen för proteinet som samlas i mikrobiella nanotrådar från det och satte in det i G. sulfureducens . Resultatet är en genetiskt modifierad G. sulfureducens som uttrycker G. metallireducens protein, gör nanotrådar mycket mer ledande än G. sulfureducens naturligtvis skulle producera.

Ytterligare, Lovley säger, "Vi har funnit det G. sulfureducens kommer att uttrycka filamentgener från många olika typer av bakterier. Detta gör det enkelt att producera en mångfald av trådar i samma mikroorganism och att studera deras egenskaper under liknande förhållanden. "

"Med detta tillvägagångssätt, vi prospekterar genom den mikrobiella världen för att se vad som finns där ute när det gäller användbara ledande material, "tillägger han." Det finns en stor reservoar av filamentgener i den mikrobiella världen och nu kan vi studera filamenten som produceras från dessa gener även om genen kommer från en mikrobe som aldrig har odlats. "

Forskarna tillskriver G. metallireducens nanotrådars utomordentligt höga konduktivitet till dess större överflöd av aromatiska aminosyror. Tätt packade aromatiska ringar tycks vara en nyckelkomponent i mikrobiell nanotrådledning, och mer aromatiska ringar betyder förmodligen bättre anslutningar för elektronöverföring längs proteinfilamenten.

Den höga konduktiviteten hos G. metallireducens nanotrådar föreslår att de kan vara ett attraktivt material för konstruktion av ledande material, elektroniska apparater och sensorer för medicinska eller miljömässiga tillämpningar. Författarna säger att upptäcka mer om mekanismerna för nanotrådkonduktivitet "ger viktig inblick i hur vi kan göra ännu bättre trådar med gener som vi designar själva."