Een microbiële eiwitvezel, ontdekt door een wetenschapper van de Michigan State University, transporteert ladingen met snelheden die hoog genoeg zijn om te worden toegepast in door de mens gemaakte nanotechnologieën.

De vondst, in het huidige nummer van Wetenschappelijke rapporten , beschrijft de snelle eiwitvezel die wordt geproduceerd door uraniumreducerende Geobacter-bacteriën. De vezels zijn haarachtige eiwitfilamenten die "pili" worden genoemd en die de unieke eigenschap hebben om ladingen te transporteren met snelheden van 1 miljard elektronen per seconde.

"Deze microbiële nanodraad is gemaakt van slechts een enkele peptide-subeenheid, " zei Gemma Reguera, hoofdauteur en MSU-microbioloog. "Gemaakt van eiwitten, deze organische nanodraden zijn biologisch afbreekbaar en biocompatibel. Deze ontdekking opent dus veel toepassingen in nano-elektronica, zoals de ontwikkeling van medische sensoren en elektronische apparaten die kunnen worden gekoppeld aan menselijke weefsels."

Aangezien bestaande nanotechnologieën exotische metalen in hun ontwerpen opnemen, de kosten van organische nanodraden zijn ook veel kosteneffectiever, voegde ze eraan toe.

De werking van de nanodraden in de natuur is vergelijkbaar met ademen. Bacteriële cellen, zoals mensen, moeten ademen. Het proces van ademhaling omvat het verplaatsen van elektronen uit een organisme. Geobacter-bacteriën gebruiken de eiwit-nanodraden om metaalbevattende mineralen zoals ijzeroxiden en oplosbare giftige metalen zoals uranium te binden en in te ademen. De gifstoffen worden gemineraliseerd op het oppervlak van de nanodraden, voorkomen dat de metalen de cel binnendringen.

Het team van Reguera zuiverde hun eiwitvezels, die ongeveer 2 nanometer in diameter zijn. Met dezelfde toolset van nanotechnologen, de wetenschappers waren in staat om de hoge snelheden te meten waarmee de eiwitten elektronen passeerden.

"Ze zijn als hoogspanningslijnen op nanoschaal, " zei Reguera. "Dit is ook de eerste studie die het vermogen van elektronen aantoont om zulke lange afstanden af ​​te leggen - meer dan een 1, 000 keer wat eerder is bewezen, samen met eiwitten."

De onderzoekers identificeerden ook metalen vallen op het oppervlak van de eiwit-nanodraden die uranium met grote affiniteit binden en mogelijk andere metalen kunnen vangen. Deze bevindingen kunnen de basis vormen voor systemen die eiwitnanodraden integreren om goud en andere edele metalen te delven, scrubbers die kunnen worden ingezet om uranium te immobiliseren op saneringslocaties en meer.

De nanodraden van Reguera kunnen ook worden aangepast om andere materialen te zoeken waarin ze kunnen ademen.

"De Geobacter-cellen maken deze eiwitvezels op natuurlijke wijze om bepaalde metalen te ademen. We kunnen genetische manipulatie gebruiken om de elektronische en biochemische eigenschappen van de nanodraden af ​​te stemmen en nieuwe functionaliteiten mogelijk te maken. We kunnen ook het natuurlijke productieproces in het laboratorium nabootsen om massaproductie ze in goedkope en milieuvriendelijke processen, " zei Reguera. "Dit staat in schril contrast met de productie van door de mens gemaakte anorganische nanodraden, die gepaard gaan met hoge temperaturen, giftige oplosmiddelen, stofzuigers en gespecialiseerde apparatuur."

Deze ontdekking kwam van echt luisteren naar bacteriën, zei Reguera.

"Het eiwit krijgt de eer, maar we mogen niet vergeten de bacteriën te bedanken die dit hebben uitgevonden, " zei ze. "Het is altijd verstandig om terug te gaan en bacteriën te vragen wat ze ons nog meer kunnen leren. Op een manier, we afluisteren microbiële gesprekken af. Het is alsof we naar onze ouderen luisteren, leren van hun wijsheid en het verder brengen."