Het leven heeft altijd gespeeld volgens zijn eigen set moleculaire regels. Van de biochemie achter de eerste cellen, evolutie heeft wonderen geconstrueerd zoals hard bot, ruwe bast en plantaardige enzymen die licht oogsten om voedsel te maken.

Maar onze instrumenten om het leven te manipuleren – om ziekten te behandelen, herstel beschadigd weefsel en vervang verloren ledematen - komen uit het niet-levende rijk:metalen, kunststoffen en dergelijke. Hoewel deze levens redden en behouden, onze synthetische behandelingen zijn geworteld in een chemische taal die niet past bij onze organische elegantie. Geïmplanteerd elektroden litteken, draden raken oververhit en ons lichaam worstelt met slecht passende pompen, leidingen of kleppen.

Een oplossing ligt in het overbruggen van deze kloof waar kunstmatig en biologisch elkaar ontmoeten – door gebruik te maken van biologische regels om informatie uit te wisselen tussen de biochemie van ons lichaam en de chemie van onze apparaten. In een paper gepubliceerd op 22 september in Wetenschappelijke rapporten , ingenieurs van de Universiteit van Washington onthulden peptiden - kleine eiwitten die talloze essentiële taken in onze cellen uitvoeren - die zo'n link kunnen bieden.

Het team, onder leiding van UW-professor Mehmet Sarikaya bij de faculteiten Materials Science &Engineering, laat zien hoe een genetisch gemanipuleerd peptide zich kan assembleren tot nanodraden bovenop 2-D, vaste oppervlakken die slechts een enkele laag atomen dik zijn. Deze nanodraadassemblages zijn van cruciaal belang omdat de peptiden informatie doorgeven via de bio/nano-interface via moleculaire herkenning - dezelfde principes die ten grondslag liggen aan biochemische interacties, zoals een antilichaam dat bindt aan zijn specifieke antigeen of eiwit dat aan DNA bindt.

Aangezien deze communicatie tweerichtingsverkeer is, met peptiden die de "taal" van technologie begrijpen en vice versa, hun aanpak maakt in wezen een coherente bio-elektronische interface mogelijk.

"Het overbruggen van deze kloof zou de sleutel zijn tot het bouwen van de genetisch gemanipuleerde biomoleculaire solid-state apparaten van de toekomst, " zei Sarikaya, die ook hoogleraar chemische technologie en mondgezondheidswetenschappen is.

Zijn team in het UW Genetically Engineered Materials Science and Engineering Center bestudeert hoe de chemie van het leven kan worden gebruikt om materialen te synthetiseren met technologisch significante fysieke, elektronische en fotonische eigenschappen. naar Sarikaya, de biochemische 'taal' van het leven is een logische navolging.

"De natuur moet constant materialen maken om veel van dezelfde taken uit te voeren die we zoeken, " hij zei.

Het UW-team wil genetisch gemanipuleerde peptiden vinden met specifieke chemische en structurele eigenschappen. Ze zochten een peptide dat kon interageren met materialen zoals goud, titanium en zelfs een mineraal in botten en tanden. Deze zouden allemaal de basis kunnen vormen van toekomstige biomedische en elektro-optische apparaten. Hun ideale peptide zou ook de fysieke eigenschappen van synthetische materialen moeten veranderen en op die verandering moeten reageren. Op die manier, het zou "informatie" van het synthetische materiaal naar andere biomoleculen overbrengen - en de chemische kloof tussen biologie en technologie overbruggen.

Bij het onderzoeken van de eigenschappen van 80 genetisch geselecteerde peptiden - die niet in de natuur voorkomen maar dezelfde chemische componenten van alle eiwitten hebben - ontdekten ze dat één, GrBP5, toonde veelbelovende interacties met het semimetaal grafeen. Vervolgens testten ze de interacties van GrBP5 met verschillende 2D-nanomaterialen die, Sarikaya zei, "zou kunnen dienen als de metalen of halfgeleiders van de toekomst."

"We moesten de specifieke moleculaire interacties tussen dit peptide en deze anorganische vaste oppervlakken kennen, " hij voegde toe.

Hun experimenten onthulden dat GrBP5 zich spontaan organiseerde in geordende nanodraadpatronen op grafeen. Met een paar mutaties, GrBP5 veranderde ook de elektrische geleidbaarheid van een op grafeen gebaseerd apparaat, de eerste stap naar het verzenden van elektrische informatie van grafeen naar cellen via peptiden.

parallel, Het team van Sarikaya heeft GrBP5 aangepast om vergelijkbare resultaten te produceren op een halfgeleidermateriaal - molybdeendisulfide - door een chemisch signaal om te zetten in een optisch signaal. Ze hebben ook computationeel voorspeld hoe verschillende arrangementen van GrBP5-nanodraden de elektrische geleiding of het optische signaal van elk materiaal zouden beïnvloeden, met extra potentieel binnen de fysieke eigenschappen van GrBP5.

"Op een manier, we zijn bij de sluisdeuren, " zei Sarikaya. "Nu moeten we de basiseigenschappen van deze brug onderzoeken en hoe we deze kunnen aanpassen om de stroom van 'informatie' van elektronische en fotonische apparaten naar biologische systemen mogelijk te maken."