Konstruerade proteinfilament som ursprungligen producerades av bakterier har modifierats av forskare för att leda elektricitet. I en studie publicerad nyligen i tidskriften Small , avslöjade forskare att proteinnanotrådar – som modifierades genom att lägga till en enda förening – kan leda elektricitet över korta avstånd och utnyttja energi från fukt i luften.
"Våra resultat öppnar upp möjligheter för att utveckla hållbara och miljövänliga elektriska komponenter och enheter, baserade på proteiner", säger Dr. Lorenzo Travaglini, huvudförfattare på tidningen. "Dessa konstruerade nanotrådar kan en dag leda till innovationer inom energiskörd, biomedicinska tillämpningar och miljöavkänning."
Utveckling inom det tvärvetenskapliga området som kombinerar proteinteknik och nanoelektronik lovar också att utveckla banbrytande teknologier som överbryggar klyftan mellan biologiska system och elektroniska enheter.
"I slutändan är vårt mål att modifiera materialen som produceras av bakterier för att skapa elektroniska komponenter. Detta kan leda till en helt ny era av grön elektronik, som hjälper till att forma en mer hållbar framtid", säger Dr. Travaglini, som leds av Dr. Dominic Glover i SYNbioLAB från School of Biotechnology and Biomolecular Sciences.
Elektricitet skapas av elektroners rörelse – små partiklar som bär en elektrisk laddning – mellan atomer.
"Många händelser i naturen kräver förflyttning av elektroner och är inspirationskällan för nya tekniker för elskörd", säger Dr Travaglini. "Till exempel behöver klorofyll i växter flytta elektroner mellan olika proteiner för att fotosyntetisera."
Naturligt förekommande bakterier använder också ledande filament, så kallade nanotrådar, för att överföra elektroner över sina membran. Viktigt är att bakteriella nanotrådar som leder elektricitet har potential att interagera med biologiska system, såsom levande celler, och kan användas i biosensing för att övervaka interna signaler från kroppen med hjälp av ett gränssnitt mellan människa och maskin.
Men när de extraheras direkt från bakterier är dessa naturliga nanotrådar svåra att modifiera och har begränsad funktionalitet.
"För att övervinna dessa begränsningar, genetiskt modifierade vi en fiber med hjälp av bakterierna E. coli," säger Dr Travaglini. "Vi modifierade DNA från E. coli så att bakterierna inte bara producerade de proteiner som de behövde för att överleva, utan också byggde det specifika protein vi hade designat, som vi sedan konstruerade och satte ihop till nanotrådar i labbet."
Teamet visste att proteinet som produceras av bakterierna i sig inte skulle vara särskilt ledande, men att de skulle behöva lägga till en enda ingrediens.
Den saknade delen av pusslet var en hemmolekyl.
Hem är en cirkulär struktur - känd som en porfyrinring - med en järnatom som sitter i mitten. Det är ansvarigt för att transportera syre i röda blodkroppar från lungorna till resten av kroppen.
Ny forskning har föreslagit att när hemmolekyler är arrangerade nära varandra, möjliggör de elektronöverföring. Så Dr. Travaglini och hans team integrerade hem i filamenten som produceras av bakterierna, och misstänkte att elektronerna kunde hoppa mellan hemmolekyler om de var placerade tillräckligt nära varandra.
I labbet mätte teamet konduktansen hos de konstruerade filamenten genom att lägga en film av materialet över en elektrod och applicera en elektrisk potential. "Som vi hade förväntat oss fann vi att genom att lägga till hem till glödtråden blev proteinet ledande, medan det bara glödtråden utan hemen inte visade någon ström", säger Dr. Travaglini.
Medan Dr Travaglini och Dr Glover initialt hade bestämt sig för att modulera ett naturligt förekommande material till en ledande tråd, upptäckte de några överraskande resultat.
"Vi körde konduktivitetstestning i en kammare där du kan kontrollera de yttre förhållandena", säger Dr Travaglini. "Vi började märka att under vad som anses vara 'omgivningsförhållanden', mellan 20 %–30 % luftfuktighet, var den elektriska strömmen starkare."
Teamet bestämde sig för att utföra fler tester, med tjockare mängder av materialet, inklämt mellan två guldelektroder. "Vi har föreslagit att luftfuktigheten skapade en laddningsgradient över materialets djup", säger Dr. Travaglini. "Och denna obalanserade laddning över filmen kan skapa en kort ström, utan att behöva applicera någon potential alls."
När de upptäckte att glödtråden var känslig för fukt skapade de en enkel fuktighetssensor för att mäta hur strömmen reagerade på fukt i luften, genom att helt enkelt andas på enheten. "Vi fann att varje topp i fiberns konduktivitet motsvarade en utandning", säger Dr. Travaglini.
Denna forskning kan öppna dörren för möjligheten att producera elektriska apparater från hållbara och giftfria material som kräver extremt låg effekt.
"Den elektronik vi tenderar att använda skapas genom processer som kräver höga temperaturer och är mycket energikrävande. De är inte gröna, och materialen de kommer från kan vara giftiga", säger Dr Travaglini. "Att använda biomaterial för att skapa elektricitet är mycket mer miljövänligt. Vi kan producera dessa filament från bakterier, och det är skalbart."
Egenskaperna hos dessa proteinsammansättningar kan också vara avstämbara genom att modulera den kemiska strukturen hos hem, eller den omgivande miljön av filamentet. Teamet experimenterar för närvarande med att införliva olika porfyrmolekyler för att ändra materialets egenskaper, inklusive ljuskänsliga. "Denna nivå av kontroll är svår att uppnå med naturliga bakteriella nanotrådar, vilket framhäver mångsidigheten och potentialen hos vårt syntetiska tillvägagångssätt", säger Dr. Travaglini.
Dr. Travaglini framhåller att hans team fortfarande är i ett tidigt skede av forskning, och det kan dröja ett tag innan vi ser dessa konstruerade filament som används i vår vardagliga elektronik. "Det är verkligen en fråga om översättning", säger han. "Vi vet inte exakt hur lång tid det kommer att ta, men vi kan se att vi går i rätt riktning."
Mer information: Lorenzo Travaglini et al., Tillverkning av elektroniskt ledande protein-hem-nanotrådar för kraftutvinning, Små (2024). DOI:10.1002/smll.202311661
Journalinformation: Liten
Tillhandahålls av University of New South Wales
