Бактериальные «нанопровода» могут помочь в создании зеленой электроники

Ученые модифицировали искусственные белковые нити, изначально производимые бактериями, чтобы они проводили электричество. В исследовании, недавно опубликованном в журнале Small, показано, что белковые нанопровода — модифицированные добавлением одного соединения — могут проводить электричество на короткие расстояния и собирать энергию из влаги воздуха.

«Наши открытия открывают возможности для разработки устойчивых и экологически чистых электрических компонентов и устройств на основе белков», — говорит ведущий автор статьи доктор Лоренцо Травальини. «Эти инженерные нанопровода однажды могут привести к инновациям в сборе энергии, биомедицинских приложениях и экологическом мониторинге».

Развитие междисциплинарной области, сочетающей белковую инженерию и наноэлектронику, также обещает создание передовых технологий, соединяющих биологические системы и электронные устройства.

«В конечном счете, наша цель — модифицировать материалы, производимые бактериями, для создания электронных компонентов. Это может привести к новой эре зеленой электроники, помогая формировать более устойчивое будущее», — говорит доктор Травальини, работающий под руководством доктора Доминика Гловера в SYNbioLAB Школы биотехнологии и биомолекулярных наук.

Вдохновение от природы

Электричество создается движением электронов — мельчайших частиц, несущих электрический заряд — между атомами.

«Множество событий в природе требуют движения электронов и служат источником вдохновения для новых технологий сбора электричества», — говорит доктор Травальини. «Например, хлорофиллу в растениях необходимо перемещать электроны между различными белками для фотосинтеза».

Природные бактерии также используют проводящие нити, известные как нанопровода, для переноса электронов через свои мембраны. Важно, что бактериальные нанопроводы, проводящие электричество, обладают потенциалом для взаимодействия с биологическими системами, такими как живые клетки, и могут использоваться в биосенсорике для мониторинга внутренних сигналов тела с помощью интерфейса «человек–машина».

Однако при извлечении непосредственно из бактерий эти природные нанопроводы трудно модифицировать, и их функциональность ограничена.

«Чтобы преодолеть эти ограничения, мы генетически сконструировали волокно с помощью бактерии E. coli», — говорит доктор Травальини. «Мы модифицировали ДНК E. coli так, что бактерия производила не только белки, необходимые для выживания, но и конкретный спроектированный нами белок, который мы затем доработали и собрали в нанопроводы в лаборатории».

Команда знала, что сам по себе белок, производимый бактериями, не будет высокопроводящим, и им нужно добавить один ингредиент.

Недостающим элементом головоломки была молекула гема.

Использование влажности для создания энергии

Гем — это циклическая структура (порфириновое кольцо) с атомом железа в центре. Он отвечает за перенос кислорода в красных кровяных тельцах от легких к остальным частям тела.

Недавние исследования показали, что когда молекулы гема расположены близко друг к другу, они обеспечивают перенос электронов. Поэтому доктор Травальини и его команда интегрировали гем в нити, производимые бактериями, предполагая, что электроны смогут «перепрыгивать» между молекулами гема, если те расположены достаточно близко.

В лаборатории команда измерила проводимость созданных нитей, нанеся пленку материала на электрод и приложив электрический потенциал. «Как мы и ожидали, мы обнаружили, что добавление гема к нити делает белок проводящим, тогда как чистая нить без гема не показывала никакого тока», — говорит доктор Травальини.

Хотя изначально доктора Травальини и Гловер ставили целью превратить природный материал в проводящий провод, они обнаружили неожиданные результаты.

«Мы проводили тесты на проводимость в камере, где можно контролировать внешние условия», — говорит доктор Травальини. «Мы начали замечать, что в так называемых "амбиентных условиях", при влажности 20–30%, электрический ток был сильнее».

Команда решила провести больше тестов, используя более толстые слои материала, зажатые между двумя золотыми электродами. «Мы предполагаем, что влажность создала градиент заряда по толщине материала», — объясняет доктор Травальини. «И этот несбалансированный заряд по пленке способен создавать кратковременный ток без приложения какого-либо потенциала вообще».

Обнаружив, что нить реагирует на влажность, они создали простой датчик влажности, чтобы измерить реакцию тока на влагу в воздухе, просто подышав на устройство. «Мы обнаружили, что каждый пик проводимости волокна соответствовал выдоху», — говорит доктор Травальини.

Шаг в правильном направлении

Это исследование может открыть дверь для производства электрических устройств из устойчивых и нетоксичных материалов, требующих сверхнизкого энергопотребления.

«Электроника, которую мы обычно используем, создается в процессах, требующих высоких температур и больших затрат энергии. Это не экологично, а исходные материалы могут быть токсичны», — говорит доктор Травальини. «Использование биоматериалов для создания электричества гораздо более экологично. Мы можем производить эти нити из бактерий, и это масштабируемо».

Свойства этих белковых сборок также можно настраивать, модулируя химическую структуру гема или окружающую среду нити. Команда в настоящее время экспериментирует с включением различных порфириновых молекул, чтобы изменить свойства материала, включая светочувствительные. «Такой уровень контроля трудно достичь с природными бактериальными нанопроводами, что подчеркивает универсальность и потенциал нашего синтетического подхода», — говорит доктор Травальини.

Доктор Травальини подчеркивает, что его команда все еще находится на ранних стадиях исследований, и до внедрения этих созданных нитей в повседневную электронику может пройти время. «Это действительно вопрос трансляции», — говорит он. «Мы не знаем, сколько именно времени это займет, но мы видим, что идем в правильном направлении».