Wetenschappers gesponsord door het Office of Naval Research (ONR) hebben een gewone bodembacterie genetisch gemodificeerd om elektrische draden te creëren die niet alleen elektriciteit geleiden, maar zijn duizenden keren dunner dan een mensenhaar.

Aangezien elektronische apparaten steeds meer alle facetten van het leven van mensen raken, er is een groeiende vraag naar technologie die kleiner is, sneller en mobieler en krachtiger dan ooit tevoren. Dankzij de vooruitgang in nanotechnologie (manipuleren van materie op atomaire of moleculaire schaal), de industrie kan materialen van slechts miljardsten van een meter dik maken.

De ONR-gesponsorde onderzoekers - onder leiding van microbioloog Dr. Derek Lovley van de Universiteit van Massachusetts Amherst - zeggen dat hun geconstrueerde draden kunnen worden geproduceerd met behulp van hernieuwbare "groene" energiebronnen zoals zonne-energie, kooldioxide of plantaardig afval; zijn gemaakt van niet-giftig, natuurlijke eiwitten; en vermijd agressieve chemische processen die doorgaans worden gebruikt om nano-elektronische materialen te maken.

"Onderzoek zoals dat van Dr. Lovley zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe elektronische materialen om aan de toenemende vraag naar kleinere, krachtigere computerapparatuur, " zei dr. Linda Chrisey, een programmamedewerker bij de afdeling Warfighter Performance van ONR, die het onderzoek sponsort. "Het kunnen produceren van extreem dunne draden met duurzame materialen heeft een enorm toepassingspotentieel als componenten van elektronische apparaten zoals sensoren, transistoren en condensatoren."

Het middelpunt van Lovley's werk is Geobacter, een bacterie die microbiële nanodraden produceert - haarachtige eiwitfilamenten die uit het organisme steken - waardoor het elektrische verbindingen kan maken met de ijzeroxiden die de groei in de grond ondersteunen. Hoewel Geobacter van nature voldoende elektriciteit vervoert om te overleven, de stroom is te zwak voor menselijk gebruik, maar is voldoende om met elektroden te meten.

Lovley's team heeft de genetische samenstelling van de bacterie aangepast om twee aminozuren die van nature in de draden aanwezig zijn te vervangen door tryptofaan - wat de schuld krijgt (ten onrechte, sommigen zeggen) voor de slaperigheid die het gevolg is van te veel Thanksgiving-kalkoen. Voedselbeschuldigingen terzijde, tryptofaan is eigenlijk heel goed in het transporteren van elektronen op nanoschaal.

"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, " zei Lovley. "We hebben de aminozuren herschikt om een ​​synthetische nanodraad te produceren waarvan we dachten dat deze beter geleidend zou kunnen zijn. We hoopten dat Geobacter nog steeds nanodraden zou vormen en hun geleidbaarheid zou verdubbelen."

De resultaten overtroffen de verwachtingen van het team als de synthetische, met tryptofaan geïnfuseerde nanodraden waren 2, 000 keer meer geleidend dan hun natuurlijke tegenhangers. En ze waren duurzamer en veel kleiner, met een diameter van 1,5 nanometer (meer dan 60, 000 keer dunner dan een mensenhaar) - wat betekent dat duizenden nanodraden mogelijk in de kleinste ruimtes kunnen worden opgeslagen.

Lovley en Chrisey zeggen beide dat deze ultraminiatuur nanodraden tal van potentiële toepassingen hebben, aangezien elektronische en computerapparatuur steeds kleiner wordt. Bijvoorbeeld, ze kunnen worden geïnstalleerd in medische sensoren, waar hun gevoeligheid voor pH-veranderingen de hartslag of nierfunctie kan controleren.

Vanuit militair oogpunt is de nanodraden kunnen elektrische stroom leveren aan speciaal ontwikkelde microben om butanol te maken, een alternatieve brandstof. Dit zou met name handig zijn op afgelegen locaties zoals Afghanistan, waar brandstofkonvooien vaak worden aangevallen en het honderden dollars per gallon kost om brandstof naar strijders te vervoeren.

De nanodraden van Lovley kunnen ook een cruciale rol spelen bij het aandrijven van zeer gevoelige microben (die op een siliciumchip kunnen worden geplaatst en aan onbemande voertuigen kunnen worden bevestigd) die de aanwezigheid van verontreinigende stoffen zouden kunnen detecteren, giftige chemicaliën of explosieven.

"Dit is een opwindende tijd om voorop te lopen in het creëren van nieuwe soorten elektronicamaterialen, ", aldus Lovley. "Het feit dat we dit kunnen doen met duurzame, hernieuwbare materialen maakt het nog meer de moeite waard."

Lovley's onderzoek maakt deel uit van ONR's inspanningen op het gebied van synthetische biologie, die microben of andere organismen creëert of re-engineert om specifieke taken uit te voeren, zoals het verbeteren van de gezondheid en fysieke prestaties. Het veld is een topprioriteit voor ONR-onderzoek vanwege de mogelijke verreikende impact op de prestaties van oorlogsjagers en de vlootcapaciteiten.