Wetenschappers van de Universiteit van Massachusetts Amherst rapporteren in het huidige nummer van Klein dat ze genetisch een nieuwe bacteriestam hebben ontworpen die extreem dunne en sterk geleidende draden spint die uitsluitend bestaan ​​uit niet-giftige, natuurlijke aminozuren.

Onderzoekers onder leiding van microbioloog Derek Lovely zeggen dat de draden, die wedijveren met de dunste draden die de mens kent, worden geproduceerd uit hernieuwbare, goedkope grondstoffen en vermijd de agressieve chemische processen die doorgaans worden gebruikt om nano-elektronische materialen te produceren.

Lovely zegt, "Er zijn nieuwe bronnen van elektronische materialen nodig om aan de toenemende vraag naar het maken van kleinere, krachtigere elektronische apparaten op een duurzame manier." Het vermogen om dergelijke dunne geleidende draden massaal te produceren met deze duurzame technologie heeft veel potentiële toepassingen in elektronische apparaten, functioneren niet alleen als draden, maar ook transistoren en condensatoren. Voorgestelde toepassingen zijn onder meer biocompatibele sensoren, computerapparatuur, en als componenten van zonnepanelen.

Deze vooruitgang begon tien jaar geleden, toen Lovley en collega's ontdekten dat Geobacter, een algemeen bodemmicro-organisme, zou kunnen produceren "microbiële nanodraden, " elektrisch geleidende eiwitfilamenten die de microbe helpen groeien op de ijzermineralen die overvloedig aanwezig zijn in de bodem. Deze microbiële nanodraden waren geleidend genoeg om aan de behoeften van de bacterie te voldoen, maar hun geleidbaarheid was ver onder de geleidbaarheid van organische draden die chemici konden synthetiseren.

"Toen we meer leerden over hoe de microbiële nanodraden werkten, realiseerden we ons dat het mogelijk zou zijn om het ontwerp van de natuur te verbeteren, " zegt Lovley. "We wisten dat één klasse aminozuren belangrijk was voor de geleidbaarheid, dus hebben we deze aminozuren herschikt om een ​​synthetische nanodraad te produceren waarvan we dachten dat deze beter geleidend zou zijn."

De truc die ze ontdekten om dit te bereiken was om tryptofaan te introduceren, een aminozuur dat niet aanwezig is in de natuurlijke nanodraden. Tryptofaan is een veelvoorkomend aromatisch aminozuur dat berucht is voor het veroorzaken van slaperigheid na het eten van Thanksgiving-kalkoen. Echter, het is ook zeer effectief op nanoschaal bij het transporteren van elektronen.

"We ontwierpen een synthetische nanodraad waarin een tryptofaan werd ingebracht waar de natuur een fenylalanine had gebruikt en een andere tryptofaan voor een van de tyrosines. We hoopten geluk te hebben en dat Geobacter nog steeds nanodraden zou kunnen vormen van dit synthetische peptide en misschien de nanodraad zou verdubbelen geleidbaarheid, ' zegt Lovely.

De resultaten overtroffen ruimschoots de verwachtingen van de wetenschappers. Ze hebben een stam van Geobacter genetisch gemanipuleerd en grote hoeveelheden synthetische nanodraden vervaardigd die 2000 keer beter geleiden dan het natuurlijke biologische product. Een bijkomend voordeel is dat de synthetische nanodraden, die Lovley "biowire, " had een diameter die slechts de helft was van die van het natuurlijke product.

"We waren verbluft door dit resultaat, ", zegt Lovley. De geleidbaarheid van biodraad overtreft die van veel soorten chemisch geproduceerde organische nanodraden met vergelijkbare diameters. De extreem dunne diameter van 1,5 nanometer (meer dan 60, 000 keer dunner dan een mensenhaar) betekent dat duizenden draden gemakkelijk in een zeer kleine ruimte kunnen worden verpakt.

Het extra voordeel is dat voor het maken van biodraad geen van de gevaarlijke chemicaliën nodig zijn die nodig zijn voor de synthese van andere nanodraden. Ook, biowire bevat geen giftige componenten. "Geobacter kan worden gekweekt op goedkope hernieuwbare biologische grondstoffen, dus het is een heel 'groen' proces, " merkt hij op. En, hoewel de biowire is gemaakt van eiwitten, het is extreem duurzaam. In feite, Lovley's lab moest maanden werken om een ​​methode te vinden om het af te breken.

"Het is een vrij ongebruikelijk eiwit, " zegt Lovley. "Dit is misschien nog maar het begin", voegt hij eraan toe. Onderzoekers in zijn laboratorium hebben onlangs meer dan 20 andere Geobacter-stammen geproduceerd, elk produceert een aparte biowire-variant met nieuwe aminozuurcombinaties. Hij merkt op, "Ik hoop dat ons eerste succes meer geld zal aantrekken om het ontdekkingsproces te versnellen. We hopen dat we biowire op andere manieren kunnen aanpassen om de potentiële toepassingen ervan uit te breiden."