Microbiologen van de Universiteit van Massachusetts Amherst melden dat ze een nieuw type natuurlijke draad hebben ontdekt die door bacteriën wordt geproduceerd en die het doel van de onderzoekers om duurzame "groene" geleidende materialen voor de elektronica-industrie te ontwikkelen, aanzienlijk zou kunnen versnellen. Het onderzoek van Derek Lovley en collega's verschijnt deze week in mBio , het belangrijkste tijdschrift van de American Society of Microbiology.

De onderzoekers bestudeerden microbiële nanodraden, eiwitfilamenten die bacteriën van nature gebruiken om elektrische verbindingen te maken met andere microben of mineralen.

Zoals Lovley uitlegt, "Microbiële nanodraden zijn een revolutionair elektronisch materiaal met aanzienlijke voordelen ten opzichte van door de mens gemaakte materialen. Het chemisch synthetiseren van nanodraden in het laboratorium vereist giftige chemicaliën, hoge temperaturen en/of dure metalen. De energiebehoefte is enorm. Daarentegen, natuurlijke microbiële nanodraden kunnen bij kamertemperatuur in massa worden geproduceerd uit goedkope hernieuwbare grondstoffen in bioreactoren met veel lagere energie-input. En het eindproduct is vrij van giftige componenten."

"Microbiële nanodraden bieden daarom een ​​ongekend potentieel voor het ontwikkelen van nieuwe materialen, elektronische apparaten en sensoren voor diverse toepassingen met een nieuwe milieuvriendelijke technologie, " voegt hij eraan toe. "Dit is een belangrijke vooruitgang in microbiële nanodraadtechnologie. De aanpak die we in dit document schetsen, demonstreert een snelle methode voor prospectie in de natuur om betere elektronische materialen te vinden."

Tot nu toe heeft Lovely's lab gewerkt met de nanodraden van slechts één bacterie, Geobacter zwavelreducens . "Onze vroege studies waren gericht op de ene Geobacter omdat we probeerden te begrijpen waarom een ​​microbe kleine draadjes zou maken, " zegt Lovley. "Nu zijn we het meest geïnteresseerd in de nanodraden als elektronisch materiaal en willen we de volledige reikwijdte van wat de natuur te bieden heeft voor deze praktische toepassingen beter begrijpen."

Toen zijn lab begon te kijken naar de eiwitfilamenten van anderen Geobacter soort, ze waren verrast een breed scala aan geleidbaarheden te vinden. Bijvoorbeeld, één soort teruggewonnen uit met uranium verontreinigde grond produceerde slecht geleidende filamenten. Echter, een andere soort, Geobacter metallireducens - toevallig de eerste Geobacter ooit geïsoleerd - geproduceerde nanodraden 5, 000 keer meer geleidend dan de G. zwavelreducens draden. Lovley herinnert zich, " Ik heb 30 jaar geleden metallireducens uit modder in de Potomac-rivier geïsoleerd, en om de paar jaar geeft het ons een nieuwe verrassing."

In hun nieuwe studie, ondersteund door het Amerikaanse Office of Naval Research, ze hebben niet gestudeerd G. metallireducens direct belasten. In plaats daarvan, ze namen het gen voor het eiwit dat zich in microbiële nanodraden verzamelt en stopten dit erin G. zwavelreducens . Het resultaat is een genetisch gemodificeerde G. zwavelreducens dat drukt de uit G. metallireducens eiwit, nanodraden veel meer geleidend maken dan G. zwavelreducens natuurlijk zou produceren.

Verder, Lovely zegt, "We hebben gevonden dat G. zwavelreducens zullen filamentgenen van veel verschillende soorten bacteriën tot expressie brengen. Dit maakt het eenvoudig om een ​​diversiteit aan filamenten in hetzelfde micro-organisme te produceren en hun eigenschappen onder vergelijkbare omstandigheden te bestuderen."

“Met deze aanpak we zoeken door de microbiële wereld om te zien wat er is in termen van bruikbare geleidende materialen, " voegt hij eraan toe. "Er is een enorm reservoir van filamentgenen in de microbiële wereld en nu kunnen we de filamenten bestuderen die door die genen worden geproduceerd, zelfs als het gen afkomstig is van een microbe die nog nooit is gekweekt."

Het kenmerk van de onderzoekers: G. metallireducens de buitengewoon hoge geleidbaarheid van nanodraden tot de grotere overvloed aan aromatische aminozuren. Dicht opeengepakte aromatische ringen lijken een sleutelcomponent te zijn van de microbiële geleidbaarheid van nanodraden, en meer aromatische ringen betekent waarschijnlijk betere verbindingen voor elektronenoverdracht langs de eiwitfilamenten.

De hoge geleidbaarheid van de G. metallireducens nanodraden suggereert dat ze een aantrekkelijk materiaal kunnen zijn voor de constructie van geleidende materialen, elektronische apparaten en sensoren voor medische of milieutoepassingen. De auteurs zeggen dat het ontdekken van meer over de mechanismen van geleidbaarheid van nanodraad "een belangrijk inzicht geeft in hoe we nog betere draden kunnen maken met genen die we zelf ontwerpen."