Wetenschappers van de Universiteit van Massachusetts Amherst hebben onlangs de uitvinding aangekondigd van een nanodraad, 10.000 keer dunner dan een mensenhaar, die goedkoop kan worden gekweekt door gewone bacteriën en kan worden afgesteld om een breed scala aan chemische tracers te “ruiken”, inclusief die van door mensen die lijden aan verschillende medische aandoeningen, zoals astma en nierziekte.
Duizenden van deze speciaal afgestemde draden, die elk een andere chemische stof opsnuiven, kunnen op kleine, draagbare sensoren worden gelegd, waardoor zorgverleners een ongekend hulpmiddel krijgen voor het bewaken van mogelijke gezondheidscomplicaties. Omdat deze draden door bacteriën worden gekweekt, zijn ze organisch, biologisch afbreekbaar en veel groener dan welke anorganische nanodraad dan ook.
Om deze doorbraken te maken, die in het tijdschrift werden beschreven Biosensoren en bio-elektriciteitsenior auteurs Derek Lovley, Distinguished Professor of Microbiology aan UMass Amherst, en Jun Yao, professor in elektrische en computertechniek aan het College of Engineering aan UMass Amherst, hoefden niet verder te kijken dan hun eigen neus.
“Menselijke neuzen hebben honderden receptoren, elk gevoelig voor één specifiek molecuul”, zegt Yao. “Ze zijn veel gevoeliger en efficiënter dan elk mechanisch of chemisch apparaat dat zou kunnen worden ontwikkeld. We vroegen ons af hoe we het biologische ontwerp zelf konden benutten in plaats van te vertrouwen op een synthetisch materiaal.”
Met andere woorden, het team vroeg zich af of ze met de natuur konden samenwerken om ziekten op te sporen – en het blijkt dat ze precies dat hebben gedaan.
Het antwoord begint met een bacterie die bekend staat als Geobacter sulfurreducens, die Lovley en Yao eerder gebruikten om een biofilm die in staat is om langdurige, continue elektriciteit uit je zweet te produceren. G. sulfurreducens’ heeft het verrassende natuurlijke vermogen om kleine, elektrisch geleidende nanodraden te laten groeien.
Maar G. sulfurreducens is een kieskeurige bacterie die specifieke omstandigheden nodig heeft om te groeien, waardoor het moeilijk is om op grote schaal te gebruiken. “Wat we hebben gedaan”, zegt Lovley, “is om het ‘nanodraadgen’ – pilin genaamd – uit G. sulfurreducens te halen en het te splitsen in het DNA van Escherichia coli, een van de meest verspreide bacteriën ter wereld.”
Nadat het piline-gen was verwijderd uit G. sulfurreducens, hebben Lovley, Yao en team het aangepast zodat het een specifiek peptide zou bevatten, bekend als DLESFL, dat extreem gevoelig is voor ammoniak – een chemische stof die vaak aanwezig is in de adem van mensen met een nierziekte. . Toen ze vervolgens het gemodificeerde piline-gen in het DNA van E. coli splitsten, ontsproot de genetisch geknepen bacterie kleine nanodraden die vol zaten met het ammoniak-detecterende peptide. Het team verzamelde vervolgens deze ammoniakgevoelige nanodraden en bouwde ze in een sensor.
“Door de nanodraden genetisch te modificeren, reageerden ze 100 keer beter op ammoniak dan ze oorspronkelijk waren”, zegt Yassir Lekbach, de co-lead auteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker in de microbiologie aan de UMass Amherst. “De door microben geproduceerde nanodraden functioneren veel beter als sensoren dan eerder beschreven sensoren die zijn vervaardigd met traditionele nanodraden van silicium of metaal.”
En het is niet nodig om deze nieuwe sensoren te beperken tot alleen ammoniak en nierziekte. Toshiyuki Ueki, de andere mede-hoofdauteur van het artikel en onderzoeksprofessor in microbiologie aan UMass Amherst, zegt dat “het mogelijk is om unieke peptiden te ontwerpen, die elk specifiek een molecuul van belang binden. en die specifiek zijn voor een bepaalde ziekte, kunnen we sensoren maken die honderden verschillende chemische snuivende nanodraden bevatten om allerlei soorten gezondheidsproblemen te bewaken.
Een nieuw paradigma voor elektrotechniek
Traditionele nanodraden, gemaakt van silicium of koolstofvezel, kunnen zeer giftig zijn – koolstofnanobuisjes zijn zelf kankerverwekkend – en eindigen als niet-biologisch afbreekbaar e-waste. Hun grondstoffen kunnen enorme hoeveelheden energie en chemische input vergen om te oogsten en te verwerken, en hebben ook een grote impact op het milieu. Maar omdat de nanodraden van Lovley en Yao zijn gekweekt uit gewone bacteriën, zijn ze veel duurzamer.
“Een van de meest opwindende dingen van deze onderzoekslijn”, zegt Yao, “is dat we elektrotechniek een fundamenteel nieuwe richting inslaan. In plaats van draden gemaakt van schaarse grondstoffen die niet biologisch afbreekbaar zijn, is de schoonheid van deze eiwit nanodraden is dat je het genetische ontwerp van het leven kunt gebruiken om een stabiel, veelzijdig, low-impact en kosteneffectief platform te bouwen.”
Meer informatie:
Yassir Lekbach et al, Microbiële nanodraden met genetisch gemodificeerde peptideliganden om op duurzame wijze elektronische detectieapparaten te fabriceren, Biosensoren en bio-elektronica (2023). DOI: 10.1016/j.bios.2023.115147
Tijdschrift informatie:
Biosensoren en bio-elektronica
Aangeboden door Universiteit van Massachusetts Amherst