исследованиеопубликовано в журнале Связь с природой, исходит от исследователей из Йельского университета. Для дальнейшего изучения деталей исследования и последствий открытия, компания «Интересная инженерия» поговорила со старшим автором статьи Нихилом Малванкаром, адъюнкт-профессором молекулярной биофизики и биохимии в Йельском институте микробных наук, где он возглавляет Malvankar Protein Nanowire Lab.
Как работают нанопроволоки?
По сути, все живые существа нуждаются в кислороде, чтобы вытеснять лишние электроны в процессе преобразования питательных веществ в энергию. Но что произойдет, если нет доступа к кислороду, например, в почве или глубоко на дне океана? Оказывается, некоторые бактерии приспособились к этому затруднительному положению, по сути, «дышащими минералами» через очень маленькие белковые нити или «нанопроволоки».
Более того, ученые обнаружили особую бактерию, которой можно манипулировать для производства этих нанопроводов в промышленных масштабах. Как заявил профессор Малванкар, они обнаружили, что «бактерии, называемые Геобактер за миллиарды лет развились способы электронного взаимодействия с внешним миром, используя нанопроволоки, состоящие из цепочек молекул «гема», подобных тем, которые переносят кислород в нашей крови. Но вместо этого гемы Geobacter передают электричество. Цепочки гема длиной в микрометр обеспечивают непрерывный путь для электронов.
Когда к бактериям добавляется свет, «вы на самом деле получаете почти в 100 раз больше электричества», — рассказал Малванкар.
Секретный ингредиент
Как это делает Geobacter? Поскольку Geobacter — очень распространенная бактерия, которую можно найти в земле под нашими ногами, Малванкар считает, что она обеспечивает решение того, что он считает главной проблемой, которую они должны решить — «как мы можем эффективно соединить живые системы с электроникой в больших масштабах?» ?»
Ключ заключается в обнаружении металлсодержащего белка, известного как цитохром OmcS, который действует как естественный фотопроводник. По словам Малванкара, это было их главным открытием. Именно металл придает бактериальным нанопроволокам высокую электронную проводимость.
«Они выглядят как настоящая проволока. Молекула гема похожа на провод, а белок — на изоляцию вокруг провода», — объяснил ученый, сравнив это с тем, как у наших зарядных устройств для телефонов есть изоляция.
Зачем некоторым бактериям нужны нанопроволоки?
Ответ, по мнению Малванкара, кроется в цитате «Жизнь — это не что иное, как электрон, ищущий место для отдыха». Альберт Сент-Дьёрдьибиохимик, открывший цикл метаболизма кислорода и получивший в 1937 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Растущий нанопроволоки позволяет бактериям выживать без присутствия кислорода. Бактерии используют провода для отправки электронов, что позволяет им получить доступ к гораздо большей площади. Свет ускоряет дыхание бактерий из-за быстрого переноса электронов между нанопроволоками.
«Что меня восхищает в этой работе, так это то, что она расширяет диапазон того, как далеко могут двигаться электроны в живой системе», — поделился Малванкар, добавив, что «обычно у людей электрон может пройти только нанометр или миллиардную долю метра». , потому что белки не очень хорошо перемещают электроны на очень долгое время. А здесь электроны могут двигаться на сотни микрометров». Это делает его почти в несколько миллионов раз длиннее, и все благодаря сети нанопроволок.
Как производятся нанопроволоки
Малванкар поделился, что теперь они могут производить эту многофункциональную «живую электронику» гораздо быстрее и с меньшими затратами.
Большой плюс материала проводов в том, что он сочетает в себе полезные свойства — самовосстанавливающийся, гибкий, биоразлагаемый, нетоксичный. Малванкар сравнил его с кремнием, который хорошо работает при определенных условиях, а нанопроволоки еще более гибкие. Они могут работать в самых разных и экстремальных условиях — при высоких и экстремально низких температурах или в условиях низкой кислотности — оставаясь при этом очень стабильными и надежными.
Что касается производства, нанопроволоки теперь можно выращивать в лаборатории, и они сохранят свои свойства, даже если они неживые.
Ученые могут использовать бактерии для выращивания проводов, затем поместить их «в блендер», избавиться от бактерий и оставить только «очищенные нити — провода, которые затем станут достаточно стабильными, чтобы их можно было использовать».
Каковы потенциальные области применения нанопроводов?
Малванкар видит ряд интересных применений разрабатываемых ими биоматериалов, которые будут дешевле, быстрее и точнее, чем другие современные технологии такого рода.
Нанопроволоки могут быть очень полезны для борьбы с выбросами парниковых газов, которые вызывают повышение температуры и потепление планеты. По мере развития зарождающегося область электрогенетики (который использует электростимуляцию для управления биологическими процессами), исследователи стремятся выяснить, как активировать электрическую сеть на дне океана, чтобы остановить выброс метана в атмосферу.
Как пояснил Малванкар, они надеются поместить «электроды в океан или почву, и эти электроды будут использоваться для создания электрических соединений между бактериями. И это может быть одним из способов, с помощью которых мы можем локально остановить выброс метана в окружающую среду или локально очистить окружающую среду от токсичных загрязнителей. Итак, если есть разлив нефти, эти бактерии могут поглотить нефть. Таким образом, мы можем ускорить этот процесс локально, вставив эти электроды».
Нанопроволоки также могут стать революционным инструментом для использования в секвенировании ДНК, вычислениях, сборе света или в мониторинге здоровья за счет создания нового поколения датчиков тела с автономным питанием, которые измеряют уровень глюкозы или кислорода.
По словам ученого, еще одно применение этих проводов связано с тем, что «они демонстрируют свойства, которые ранее не демонстрировал ни один другой белок». Провода, над которыми работает его лаборатория, легко адаптируются и особенно хорошо работают при очень низких температурах. Когда ученые охладили их, перенос электронов фактически ускорился примерно в 300 раз. Это может работать для низкотемпературных датчиков или другой электроники, которая должна работать в экстремальных условиях.
Одним из таких экстремальных условий может быть открытый космос — в частности, исследование Марса. Возможно, предполагает Малванкар, использовать их методы, чтобы заставить бактериальные нанопроволоки производить определенные химические вещества, биотопливо или питательные вещества, необходимые для колонизации Марса. Также может оказаться, что Марс, почва которого особенно богата железом, уже имеет на своей поверхности такие бактерии. Используя свои методы для его активации, ученые могли бы «в основном имитировать то, как мы развили жизнь на Земле», — предположил Малванкар.
Резюме исследования:
Индуцированный светом микробный перенос электронов имеет потенциал для эффективного производства химических веществ с добавленной стоимостью, биотоплива и биоразлагаемых материалов благодаря разнообразным метаболическим путям. Однако большинству микробов не хватает фотоактивных белков, и им требуются синтетические фотосенсибилизаторы, которые страдают от фотокоррозии, фотодеградации, цитотоксичности и образования фотовозбужденных радикалов, вредных для клеток, что серьезно ограничивает каталитическую активность. Поэтому существует острая потребность в биосовместимых фотопроводящих материалах для эффективного электронного интерфейса между микробами и электродами. Здесь мы показываем, что живые биопленки Geobacter Sulfreducens используют нанопроволоки цитохрома OmcS в качестве собственных фотопроводников. Фотопроводящая атомно-силовая микроскопия показывает до 100-кратное увеличение фототока в очищенных отдельных нанопроволоках. Фототоки быстро (<100 мс) реагируют на возбуждение и обратимо сохраняются в течение нескольких часов. Фемтосекундная спектроскопия нестационарного поглощения и моделирование квантовой динамики показывают сверхбыстрый (~ 200 фс) перенос электронов между гемами нанопроволоки при фотовозбуждении, что увеличивает плотность и подвижность носителей. Наша работа раскрывает новый класс природных фотопроводников для катализа целых клеток.
