De ontdekking van een fundamentele, voorheen onbekende eigenschap van microbiële nanodraden in de bacterie Geobacter sulfurreducens die elektronentransport over lange afstanden mogelijk maakt, kan een revolutie teweegbrengen in nanotechnologie en bio-elektronica, zegt een team van natuurkundigen en microbiologen van de University of Massachusetts Amherst.

Hun bevindingen werden gerapporteerd in het online nummer van 7 augustus van Natuur Nanotechnologie kan op een dag leiden tot goedkopere, niet-toxische nanomaterialen voor biosensoren en solid-state elektronica die een interface vormen met biologische systemen.

Hoofdmicrobioloog Derek Lovley met natuurkundigen Mark Tuominen, Nikhil Malvankar en collega's, zeg maar netwerken van bacteriële filamenten, bekend als microbiële nanodraden omdat ze elektronen over hun lengte geleiden, kan ladingen even efficiënt verplaatsen als synthetische organische metalen nanostructuren, en ze doen het over opmerkelijke afstanden, duizenden keren de lengte van de bacterie.

Netwerken van microbiële nanodraden die door biofilms gaan, die samenhangende aggregaten zijn van miljarden cellen, dit biologische materiaal een geleidbaarheid geven die vergelijkbaar is met die van synthetische geleidende polymeren, die veel worden gebruikt in de elektronica-industrie.

Lovely zegt, "Het vermogen van eiwitfilamenten om elektronen op deze manier te geleiden is een paradigmaverschuiving in de biologie en heeft gevolgen voor ons begrip van natuurlijke microbiële processen en voor praktische implicaties voor het opruimen van het milieu en de ontwikkeling van hernieuwbare energiebronnen."

De ontdekking vertegenwoordigt een fundamentele verandering in het begrip van biofilms, voegt Malvankar toe. "Bij deze soort de biofilm bevat eiwitten die zich gedragen als een metaal, elektronen geleiden over een zeer lange afstand, eigenlijk zo ver als je de biofilm kunt uitbreiden."

Tuominen, de hoofdfysicus, voegt toe, "Deze ontdekking brengt niet alleen een belangrijk nieuw principe naar voren in de biologie, maar ook in de materiaalkunde. We kunnen nu een reeks nieuwe geleidende nanomaterialen onderzoeken die leven, natuurlijk voorkomend, niet giftig, gemakkelijker te produceren en goedkoper dan door de mens gemaakt. Ze kunnen ons zelfs in staat stellen om elektronica in water en vochtige omgevingen te gebruiken. Het opent spannende mogelijkheden voor biologische en energietoepassingen die voorheen niet mogelijk waren."

De onderzoekers melden dat dit de eerste keer is dat metaalachtige geleiding van elektrische lading langs een eiwitfilament is waargenomen. Eerder werd gedacht dat een dergelijke geleiding een mechanisme zou vereisen dat een reeks andere eiwitten omvat die bekend staan ​​​​als cytochromen, met elektronen die korte sprongen maken van cytochroom naar cytochroom. Daarentegen, het UMass Amherst-team heeft geleiding over lange afstand aangetoond in afwezigheid van cytochromen. De Geobacter-filamenten functioneren als een echte draad.

In de natuur, Geobacter gebruikt hun microbiële nanodraden om elektronen over te brengen op ijzeroxiden, natuurlijke roestachtige mineralen in de bodem, die voor Geobacter dezelfde functie hebben als zuurstof voor de mens. "Wat Geobacter met zijn nanodraden kan doen, is vergelijkbaar met ademen door een snorkel van 10 kilometer lang, ' zegt Malvankar.

De UMass Amherst-groep had in een artikel in Nature uit 2005 voorgesteld dat de nanodraden van Geobacter een fundamentele nieuwe eigenschap in de biologie zouden kunnen vertegenwoordigen, maar ze hadden geen mechanisme, werden dus met veel scepsis ontvangen. Om verder te experimenteren, Lovley en collega's maakten gebruik van het feit dat Geobacter in het laboratorium op elektroden zal groeien, die de ijzeroxiden vervangen. Op elektroden, de bacteriën produceren dikke, elektrisch geleidende biofilms. In een reeks onderzoeken met genetisch gemodificeerde stammen, de onderzoekers ontdekten dat de metaalachtige geleidbaarheid in de biofilm kan worden toegeschreven aan een netwerk van nanodraden die zich door de biofilm verspreiden.

Deze speciale structuren zijn afstembaar op een manier die nog niet eerder is gezien, vonden de UMass Amherst-onderzoekers. Tuominen wijst erop dat het in de nanotechnologiegemeenschap algemeen bekend is dat de eigenschappen van kunstmatige nanodraadjes kunnen worden veranderd door hun omgeving te veranderen. De natuurlijke benadering van Geobacter is uniek omdat het wetenschappers in staat stelt geleidende eigenschappen te manipuleren door simpelweg de temperatuur te veranderen of genexpressie te reguleren om een ​​nieuwe stam te creëren. bijvoorbeeld. Malvankar voegt eraan toe dat door het introduceren van een derde elektrode, een biofilm kan werken als een biologische transistor, kan worden in- of uitgeschakeld door een spanning aan te leggen.

Een ander voordeel dat Geobacter biedt, is de mogelijkheid om natuurlijke materialen te produceren die milieuvriendelijker en een stuk goedkoper zijn dan door de mens gemaakt materiaal. Heel wat van de hedendaagse nanotechmaterialen zijn duur om te produceren, veel vereisen zeldzame elementen, zegt Tuominen. Geobacter is een echt natuurlijk alternatief. "Als iemand die materialen bestudeert, Ik zie de nanodraden in deze biofilm als een nieuw materiaal, een die toevallig door de natuur is gemaakt. Het is opwindend dat het de kloof tussen solid-state elektronica en biologische systemen zou kunnen overbruggen. Het is biocompatibel op een manier die we nog niet eerder hebben gezien."

Leuke grappen, "We maken in feite elektronica van azijn. Veel goedkoper of 'groener' kan het niet worden."

Eindelijk, dit is een verhaal over interdisciplinaire samenwerking, wat veel moeilijker te bereiken is dan het klinkt, zegt Lovely. "We hadden veel geluk met flexibele financiering van het Office of Naval Research, het ministerie van Energie en de National Science Foundation die ons in staat stelden enkele ingevingen te volgen. Ook, er was een doctoraatsstudent natuurkunde voor nodig die dapper genoeg was om naar microbiologie te komen om met iets nats en slijmerigs te werken." Die student, Nikhil Malvankar, nu is een postdoctoraal onderzoeker die samen met Lovley en Tuominen zal blijven onderzoeken wat de eiwitfilamenten van Geobacter hun unieke elektrische eigenschappen geeft.