Что, если бы мы могли использовать белки для создания биогибридной электроники? Интеграция фотоактивных биоматериалов в электронику, где свет, захваченный молекулой, преобразуется в изменяющиеся электрические сигналы, является многообещающей областью исследований.
«Оптоэлектронные устройства, основанные на взаимодействии биомолекул с существующими материалами молекулярной электроники, вызвали большой интерес как с точки зрения экологичной, недорогой электроники нового поколения, основанной на новых вычислительных принципах», — пишет группа исследователей под руководством Ивана Бобринецкого и Дафида Джонса в статье, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials.
Критически важным для разработки таких устройств является создание эффективного интерфейса белок-наноматериала. Для этого Джонс, Бобринецкий и их команды разработали интерфейс, в котором фотоактивные зеленые флуоресцентные белки (GFP) были связаны с отдельной углеродной нанотрубкой для обеспечения «связи» между электронными материалами и биомолекулами.
«Белки — это собственные наномашины природы, которые самособираются, чтобы сформировать эти замечательные молекулярные структуры с целым рядом различных функций — от преобразования энергии до катализа и связи», — сказал Джонс в электронном письме ASN . «С тех пор, как я занялся синтетической биологией, меня всегда беспокоило, что эта область сосредоточена на том, что физика и химия могут сделать для биологии, в то время как я думал наоборот: как молекулярные свойства белков могут влиять и вдохновлять физику и химию?»
Сочетание электроники и биологии
GFP является важным белком в биологии, особенно при визуализации клеток в качестве генетически кодируемого флуоресцентного зонда. Он был выбран для этих устройств, так как его можно легко вызвать флуоресценцией при воздействии видимого света. В других областях исследований это позволило ученым отслеживать и объяснять важные биологические процессы, наблюдая, например, молекулярные процессы внутри клеток с большой детализацией.
«Однако способ работы флуоресцентных белков гораздо сложнее, с большим количеством субатомных частиц, таких как электроны и протоны», — сказал Джонс. «Мы подумали, что можем использовать эту полезную функцию для изменения электронной проводимости основного материала — в данном случае нанотрубок».
Команда была заинтересована в том, чтобы использовать уникальные молекулярные особенности GFP, настроив их в соответствии со своей индивидуальной конструкцией датчика. Они смогли объединить различные ресурсы и опыт для разработки и создания своего биооптоэлектронного транзистора, где основная проблема заключалась в сопряжении белков с небиологическими материалами — углеродными нанотрубками — для получения точных электронных сигналов.
«В идеале мы хотели бы получить однородную систему с белком, прикрепленным определенным образом», — объяснил Джонс. «Последнее важно, поскольку оно может определить, как функциональный центр белка взаимодействует с углеродными нанотрубками, что оказалось очень важным для настоящего исследования».
Чтобы преодолеть эту проблему, команда включила в GFP новые молекулярные объекты, перепрограммировав основной генетический код белка, чтобы ввести неприродную аминокислоту, называемую п -азидо-L-фенилаланином, которая содержит определенную химическую группу, которая может быть использована для формирования белка. связь между белками и нанотрубками. Это происходит благодаря фотохимии фенилазида, когда фенилазидная группа (Ph-N 3 ), встроенная в модифицированный GFP, активируется под воздействием УФ-излучения и вытесняет молекулу азота, оставляя радикал азота, называемый нитреном, который затем образует ковалентную связь со слоем углеродных нанотрубок.
«Мы выбрали фенилазидную химию, поскольку ее нет в биологии, что дает нам полную свободу включать ее в GFP везде, где мы хотим, но ее можно активировать ультрафиолетовым светом и ковалентно вставить в углеродную нанотрубку», — объяснил Джонс. Благодаря этой химической реакции они смогли связать модифицированный GFP со своими нанотрубками.
Этот метод чрезвычайно эффективен, демонстрируя потенциал GFP по-разному модулировать электрические токи в зависимости от его прикрепления к углеродным нанотрубкам. Это может привести к различным функциональным возможностям устройства, таким как способность вести себя как оптический транзистор и оптическое запоминающее устройство.
«Белок и его основная функция одинаковы в обоих случаях, но то, как мы соединили белок с углеродными нанотрубками с точки зрения расстояния и ориентации активного центра GFP, оказалось решающим», — добавил Джонс.
Для сборки устройства отдельные полупроводниковые углеродные нанотрубки помещались между электродами в конфигурации полевого транзистора. «Хотя лабораторная технология хорошо разработана для манипулирования отдельными нанотрубками, мы стремились масштабировать технологию в этом исследовании», — сказал Бобринецкий. «Нанесение на основе аэрозоля было выполнено для формирования статистически значимого распределения нанотрубок на 4-дюймовой подложке, в результате чего получилось около 400 чипов. Затем чипы, демонстрирующие полупроводниковые свойства, были модифицированы флуоресцентным белком».
Биогибридная электроника
Биогибридное устройство продемонстрировало эффективную индуцированную светом прямую передачу заряда на границе раздела белок/нанотрубка, заложив основу для гибридных датчиков с будущим потенциалом в качестве оптических устройств памяти, флуоресцентных считывателей и молекулярных транзисторов, а также экологичных интерфейсов на основе фотоэлементов.
Исследователи указывают, что они хотели бы, чтобы их биогибридная электроника заменила классические полупроводники, но они все еще далеки от достижения этого.
«Лично я хотел бы переключиться с взаимодействия боковых стенок на белки, действующие как мосты между двумя углеродными нанотрубками, чтобы они напрямую модулировали ток через белок», — сказал Джонс.
«Конечно, конечной целью исследований являются современные био-нано-электронные устройства, в которых вычисление и хранение информации определяется изменением состояния биологических молекул», — добавил Бобринецкий. «Но в среднесрочной перспективе наши находки могут быть использованы, например, в «зеленых» солнечных элементах на основе флуоресцентных белков. Наши результаты могут дать представление о правильной ориентации белков для максимальной эффективности биостимулированных солнечных элементов».
