Genetisch gemodificeerde eiwitten zetten koolstofnanobuisjes om in programmeerbaar opto-elektronisch apparaat

Fluorescerende eiwitten, met name groen fluorescerend eiwit (GFP), kunnen fungeren als het lichtgevoelige element dat gebeurtenissen doorgeeft aan elektrisch geleidende transducers, zoals enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT’s) en grafeen. De geleidbaarheid en optische eigenschappen van SWCNT’s maken ze bijzonder nuttig voor het genereren van actieve bionanohybride systemen, vooral omdat hun inherente eigenschappen kunnen worden gewijzigd door chemische modificaties.

In recent onderzoek werden optisch actieve eiwitten gebruikt om de geleiding over een individuele SWCNT-transistor te moduleren. Het onderzoeksteam, dat bestaat uit wetenschappers uit het VK, Rusland en Servië, heeft zojuist de resultaten in het tijdschrift gepubliceerd Geavanceerde functionele materialen.

Onderzoekers gebruikten genetisch gecodeerde fenylazide (azF) -chemie om GFP rechtstreeks te fotolinken naar een koolstofnanobuistransistor. Twee verschillende GFP-varianten met azF op twee verschillende posities – dichtbij de chromofoor en verder van de chromofoor – werden gebruikt om de aanhechtingsplaats te controleren.

De elektronische chip is gebaseerd op individuele koolstofnanobuisjes met bekende chiraliteit om zijn opto-elektronische eigenschappen te onderzoeken in de aanwezigheid van een telbaar aantal fluorescerende eiwitten. De modulatie van de geleidbaarheid in een gemodificeerde koolstofnanobuistransistor is selectief en alleen mogelijk wanneer de structuur wordt bestraald met licht op een specifieke golflengte die overeenkomt met de maximale absorptie van de chromofoor in een fluorescerend eiwit.

Dr. Ivan Bobrinetsliy, een senior onderzoeker aan het Biosense Institute, zei dat het meest opwindende resultaat is dat de “GFP-aanhechtingsplaats de modulatie-eigenschappen van een koolstofnanobuis dicteert.”

“Wat deze verschillende effecten veroorzaakt, zijn verschillende ladingsoverdrachtroutes die beschikbaar zijn voor GFP tussen de chromofoor en koolstofnanobuis, vooral de route terug in donkere toestand.”

Een van de hoofdauteurs, Nikita Nekrasov, een Ph.D. student van MIET, zei: “Het onderzoek toonde de fundamentele ontdekking in [the] vermogen van biologische moleculen om de elektronische eigenschappen van koolstofnanobuizen te manipuleren vanwege de verandering in [their] relatieve positie. Bio-opto-elektronische interfaces met koolstofnanobuisjes zijn veelbelovend voor het fabriceren van energie-efficiënte fototransistoren om ‘groene’ fotonische geïntegreerde schakelingen te bouwen.”

Deze resultaten effenen de weg naar de ontwikkeling van nieuwe moleculaire opto-elektronica, biosensoren en fotovoltaïsche elementen. Door gebruik te maken van een multiarray van koolstofnanobuisjestransistors met verschillende genetisch gecodeerde eiwitten, is het mogelijk om volledige spectra miniatuur opto-elektronische elementen te ontwerpen.

Naast het ontwerp van elektronische en fotonische apparaten met één molecuul, is het gebruik van optische methoden voor modificatie van koolstofnanobuisjes zeer schaalbaar en kan het de basis worden voor biologisch afbreekbare en milieuvriendelijke zonnecellen en opto-elektronische geheugenproductie voor fotonische geïntegreerde schakelingen.