Исследователи изучили микробные нанопроволоки, белковые нити, которые бактерии естественным образом используют для электрических соединений с другими микробами или минералами.Как объясняет Ловли, «микробные нанопроволоки — это революционный электронный материал, обладающий существенными преимуществами по сравнению с материалами, созданными руками человека. Для химического синтеза нанопроводов в лаборатории требуются токсичные химические вещества, высокие температуры и / или дорогие металлы. Потребности в энергии огромны. нанопроволоки можно массово производить при комнатной температуре из недорогого возобновляемого сырья в биореакторах с гораздо меньшими энергозатратами.
Конечный продукт не содержит токсичных компонентов ».«Таким образом, микробные нанопроволоки открывают беспрецедентный потенциал для разработки новых материалов, электронных устройств и датчиков для различных приложений с использованием новой экологически чистой технологии», — добавляет он. «Это важное достижение в технологии микробных нанопроволок. Подход, который мы описываем в этой статье, демонстрирует быстрый метод поиска в природе для поиска лучших электронных материалов».До сих пор лаборатория Лавли работала с нанопроводами только одной бактерии, Geobacter sulfurereducens. «Наши ранние исследования были сосредоточены на одном Geobacter, потому что мы просто пытались понять, почему микроб делает крошечные провода», — говорит Ловли. «Сейчас нас больше всего интересуют нанопровода как электронный материал, и мы хотели бы лучше понять весь спектр того, что природа может предложить для этих практических приложений».
Когда его лаборатория начала изучать белковые нити других видов Geobacter, они были удивлены, обнаружив широкий диапазон проводимости. Например, один вид, извлеченный из загрязненной ураном почвы, дал плохо проводящие волокна.
Однако другой вид, Geobacter Metallireducens — по совпадению, первый из когда-либо выделенных Geobacter — производил нанопроволоки в 5000 раз более проводящими, чем проволока G. serreducens. Ловли вспоминает: «30 лет назад я выделил металлоредукцев из грязи в реке Потомак, и каждые пару лет это преподносит нам новый сюрприз».В своем новом исследовании, поддержанном Управлением военно-морских исследований США, они не изучали штамм G.metallireducens напрямую. Вместо этого они взяли из него ген белка, который собирается в микробные нанопроволоки, и вставили его в G.surreducens.
В результате получился генетически модифицированный G. Sourreducens, который экспрессирует белок G. Metallireducens, что делает нанопроволоки гораздо более проводящими, чем это могло бы быть естественным образом.Кроме того, Ловли говорит: «Мы обнаружили, что G. surreducens экспрессирует гены нитей от многих различных типов бактерий.
Это упрощает создание множества нитей в одном и том же микроорганизме и изучение их свойств в аналогичных условиях».«При таком подходе мы исследуем мир микробов, чтобы увидеть, что там есть, с точки зрения полезных проводящих материалов», — добавляет он. «В микробном мире существует огромный резервуар генов волокон, и теперь мы можем изучать волокна, полученные из этих генов, даже если ген происходит от микроба, который никогда не культивировался».Исследователи связывают необычайно высокую проводимость нанопроволок G. Metallireducens с большим содержанием ароматических аминокислот. Плотно упакованные ароматические кольца, по-видимому, являются ключевым компонентом проводимости микробной нанопроволоки, а большее количество ароматических колец, вероятно, означает лучшие связи для переноса электронов вдоль белковых нитей.
Высокая проводимость нанопроволок G. Metallireducens предполагает, что они могут быть привлекательным материалом для создания проводящих материалов, электронных устройств и датчиков для медицинских или экологических приложений. Авторы говорят, что открытие большего количества механизмов проводимости нанопроволоки «дает важное понимание того, как мы могли бы сделать еще более совершенные провода с генами, которые мы сами проектируем».