'Grønne' elektroniske materialer produsert med syntetisk biologi

Thorium. (Juni 2019).

Anonim

Forskere ved University of Massachusetts Amherst rapporterer i det nåværende spørsmålet om Small at de har genetisk utviklet en ny stamme av bakterier som spinner ut ekstremt tynne og meget ledende ledninger som består av bare giftige, naturlige aminosyrer.

Forskere ledet av mikrobiologen Derek Lovely si at ledningene, som konkurrerer med de tynneste ledningene som er kjent for mennesker, er produsert av fornybare, billige råmaterialer og unngår de sterke kjemiske prosessene som vanligvis brukes til å produsere nanoelektroniske materialer.

Lovley sier, "Nye kilder til elektroniske materialer er nødvendig for å møte den økende etterspørselen etter å lage mindre, kraftigere elektroniske enheter på en bærekraftig måte." Muligheten til masseproduksjon av slike tynne ledende ledninger med denne bærekraftig teknologi har mange mulige anvendelser i elektroniske enheter, som ikke bare fungerer som ledninger, men også transistorer og kondensatorer. Foreslåtte applikasjoner inkluderer biokompatible sensorer, databehandling enheter, og som komponenter av solcellepaneler.

Dette forløpet begynte for ti år siden, da Lovley og kolleger oppdaget at Geobacter, en felles jordmikroorganisasjon, kunne produsere "mikrobielle nanotråder", elektrisk ledende proteinfilamenter som bidrar til at mikroben vokser på jernmineraler som er rikelig i jord. Disse mikrobielle nanotrådene var ledende nok til å møte bakteriens behov, men deres ledningsevne var langt under leddene av organiske ledninger som kjemikere kunne syntetisere.

"Da vi lærte mer om hvordan de mikrobielle nanotrådene virket, skjønte vi at det kan være mulig å forbedre naturens design, " sier Lovley. "Vi visste at en klasse av aminosyrer var viktig for ledningsevnen, så vi omorganiserte disse aminosyrene for å produsere en syntetisk nanowire som vi trodde kunne være mer ledende."

Trikset de oppdaget for å oppnå dette var å introdusere tryptofan, en aminosyre som ikke er tilstede i naturlige nanotråder. Tryptofan er en vanlig aromatisk aminosyre beryktet for å forårsake døsighet etter å ha spist Thanksgiving kalkun. Det er imidlertid også svært effektivt på nanoskala i transport av elektroner.

"Vi utviklet en syntetisk nanowire der et tryptofan ble satt inn der naturen hadde brukt en fenylalanin og satt i en annen tryptofan for en av tyrosinene. Vi håpet å bli heldig, og at Geobacter fortsatt kan danne nanotråder fra dette syntetiske peptidet og kanskje doble nanowire ledningsevne ", sier Lovley.

Resultatene overgikk langt forskernees forventninger. De genetisk konstruerte en stamme av Geobacter og produserte store mengder av syntetiske nanotråder 2000 ganger mer ledende enn det naturlige biologiske produktet. En ekstra fordel er at syntetiske nanotråder, som Lovley refererer til som "biowire", hadde en diameter på bare halvparten av det naturlige produktet.

"Vi ble blåst bort av dette resultatet, " sier Lovley. Ledningsevnen til biowire overskrider den for mange typer kjemisk produserte organiske nanotråder med tilsvarende diameter. Den ekstremt tynne diameteren på 1, 5 nanometer (over 60.000 ganger tynnere enn et menneskehår) betyr at tusenvis av ledningene enkelt kan pakkes inn i en svært liten plass.

Den ekstra fordelen er at å lage biowire ikke krever noen av de farlige kjemikaliene som trengs for syntese av andre nanotråder. Biowire inneholder også ingen giftige komponenter. "Geobacter kan dyrkes på billige fornybare organiske råstoffer, så det er en veldig" grønn "prosess, " bemerker han. Og selv om biowire er laget av protein, er det ekstremt holdbart. Faktisk måtte Lovleys laboratorium jobbe i flere måneder for å etablere en metode for å bryte den ned.

"Det er ganske uvanlig protein, " sier Lovley. "Dette kan være bare begynnelsen" legger han til. Forskere i laboratoriet har nylig produsert mer enn 20 andre Geobacter-stammer, som hver produserer en distinkt biovariant med nye aminosyrekombinasjoner. Han forteller: "Jeg håper at vår første suksess vil tiltrekke seg mer finansiering for å akselerere oppdagelsesprosessen. Vi håper at vi kan endre biowire på andre måter for å utvide potensielle applikasjoner."

menu
menu