Live wire: nieuw onderzoek naar nano-elektronica

Eiwitten behoren tot de meest veelzijdige en alomtegenwoordige biomoleculen op aarde. De natuur gebruikt ze voor alles, van het opbouwen van weefsels tot het reguleren van de stofwisseling tot de verdediging van het lichaam tegen ziekten.

Nu toont een nieuwe studie aan dat eiwitten andere, grotendeels onontgonnen mogelijkheden hebben. Onder de juiste omstandigheden kunnen ze fungeren als kleine, stroomvoerende draden, nuttig voor een reeks door mensen ontworpen nano-elektronica.

In nieuw onderzoek dat in het tijdschrift verschijnt ACS-nano, Stuart Lindsay en zijn collega’s laten zien dat bepaalde eiwitten kunnen fungeren als efficiënte elektrische geleiders. In feite hebben deze kleine eiwitdraden mogelijk betere geleidingseigenschappen dan vergelijkbare nanodraden die zijn samengesteld uit DNA, die al aanzienlijk succes hebben gehad voor een groot aantal menselijke toepassingen.

Professor Lindsay leidt het Biodesign Center for Single-Molecule Biophysics. Hij is ook professor bij de ASU’s Department of Physics en de School of Molecular Sciences.

Net als in het geval van DNA bieden eiwitten veel aantrekkelijke eigenschappen voor elektronica op nanoschaal, waaronder stabiliteit, afstembare geleiding en enorme informatieopslagcapaciteit. Hoewel eiwitten van oudsher werden beschouwd als slechte geleiders van elektriciteit, veranderde dat onlangs toen Lindsay en zijn collega’s aantoonden dat een eiwit dat tussen een paar elektroden in evenwicht was, kon fungeren als een efficiënte geleider van elektronen.

Het nieuwe onderzoek gaat dieper in op het fenomeen elektronentransport door eiwitten. De onderzoeksresultaten tonen aan dat eiwit-nanodraden over lange afstanden betere geleidingseigenschappen vertonen dan chemisch gesynthetiseerde nanodraden die speciaal zijn ontworpen om geleiders te zijn. Bovendien zijn eiwitten zelforganiserend en zorgen ze voor controle op atomaire schaal van hun samenstellende delen.

Synthetisch ontworpen eiwit-nanodraden kunnen aanleiding geven tot nieuwe ultrakleine elektronica, met mogelijke toepassingen voor medische detectie en diagnostiek, nanorobots om zoek- en vernietigingsmissies uit te voeren tegen ziekten of in een nieuw soort ultrakleine computertransistors. Lindsay is vooral geïnteresseerd in het potentieel van eiwitnanodraden voor gebruik in nieuwe apparaten om ultrasnelle DNA- en eiwitsequencing uit te voeren, een gebied waarop hij al aanzienlijke vooruitgang heeft geboekt.

Naast hun rol in nano-elektronische apparaten, zijn ladingstransportreacties cruciaal in levende systemen voor processen zoals ademhaling, metabolisme en fotosynthese. Onderzoek naar transporteigenschappen door ontworpen eiwitten kan daarom nieuw licht werpen op hoe dergelijke processen in levende organismen werken.

Hoewel eiwitten veel van de voordelen van DNA voor nano-elektronica hebben in termen van elektrische geleiding en zelfassemblage, biedt het uitgebreide alfabet van 20 aminozuren dat wordt gebruikt om ze te construeren een verbeterde toolkit voor nanoarchitecten zoals Lindsay, in vergelijking met slechts vier nucleotiden waaruit DNA bestaat. .

Doorvoerautoriteit

Hoewel elektronentransport een focus is geweest van veel onderzoek, is de aard van de stroom van elektronen door eiwitten een mysterie gebleven. In grote lijnen kan het proces plaatsvinden door elektronentunneling, een kwantumeffect dat plaatsvindt over zeer korte afstanden of door het springen van elektronen langs een peptideketen – in het geval van eiwitten, een keten van aminozuren.

Een doel van de studie was om te bepalen welke van deze regimes leken te werken door kwantitatieve metingen te doen van elektrische geleiding over verschillende lengtes van eiwit-nanodraad. De studie beschrijft ook een wiskundig model waarmee de moleculair-elektronische eigenschappen van eiwitten kunnen worden berekend.

Voor de experimenten gebruikten de onderzoekers eiwitsegmenten in stappen van vier nanometer, variërend van 4-20 nanometer lang. Er werd een gen ontworpen om deze aminozuursequenties te produceren uit een DNA-matrijs, waarbij de eiwitlengtes vervolgens aan elkaar werden gebonden tot langere moleculen. Een zeer gevoelig instrument dat bekend staat als een scanning tunneling-microscoop, werd gebruikt om nauwkeurige metingen van de geleiding uit te voeren terwijl het elektronentransport door de eiwitnanodraad vorderde.

De gegevens laten zien dat de geleidbaarheid afneemt over de lengte van de nanodraad op een manier die consistent is met het hoppen in plaats van het tunnelgedrag van de elektronen. Specifieke aromatische aminozuurresiduen (zes tyrosines en één tryptofaan in elke kurkentrekkerdraai van het eiwit), helpen de elektronen langs hun pad van punt naar punt te leiden, zoals opeenvolgende stations langs een treinroute. “Het elektronentransport is als het overslaan van steen over water – de steen heeft geen tijd om bij elke sprong te zinken”, zegt Lindsay.

Draad wonderen

Hoewel de geleidbaarheidswaarden van de eiwitnanodraden over de afstand afnamen, deden ze dit geleidelijker dan bij conventionele moleculaire draden die speciaal zijn ontworpen om efficiënte geleiders te zijn.

Toen de eiwitnanodraden langer waren dan zes nanometer, presteerde hun geleiding beter dan moleculaire nanodraden, wat de deur opende voor hun gebruik in veel nieuwe toepassingen. Het feit dat ze subtiel kunnen worden ontworpen en gewijzigd met controle op atomaire schaal en zelf kunnen worden samengesteld uit een gensjabloon, maakt verfijnde manipulaties mogelijk die veel verder gaan dan wat momenteel kan worden bereikt met conventioneel transistorontwerp.

Een opwindende mogelijkheid is het gebruik van dergelijke eiwitnanodraden om andere componenten in een nieuwe reeks nanomachines te verbinden. Nanodraden kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om een ​​enzym dat bekend staat als een DNA-polymerase, aan elektroden te verbinden, wat resulteert in een apparaat dat mogelijk in minder dan een uur tegen lage kosten een volledig menselijk genoom kan sequencen. Een vergelijkbare benadering zou de integratie van proteosomen in nano-elektronische apparaten mogelijk kunnen maken die aminozuren kunnen lezen voor eiwitsequencing.

“We beginnen nu het elektronentransport in deze eiwitten te begrijpen. Als je eenmaal kwantitatieve berekeningen hebt, heb je niet alleen geweldige moleculaire elektronische componenten, maar heb je ook een recept om ze te ontwerpen”, zegt Lindsay. “Als je denkt aan het SPICE-programma dat elektrotechnici gebruiken om circuits te ontwerpen, is er een glimp nu je dit voor eiwitelektronica zou kunnen krijgen.”