Proteiinikokkareet voivat tuottaa sähköä

Washingtonin yliopiston tutkijat St. Louisissa tutkivat elävien solujen sähköisen työkalupakin periaatteita proteiinikondensaateista.

Äskettäin julkaistussa artikkelissa McKelvey School of Engineeringin biolääketieteen tekniikan apulaisprofessori Yifan Dai osoittaa, kuinka nämä jatkuvasti muuttuvat proteiinimateriaalien kokkareet voivat tuottaa sähköä, mikä tarjoaa uuden kehyksen biomateriaalien suunnittelulle, jotka voisivat käyttää bioelektrokemiallisia laitteita.

Uudessa tutkimuksessa Dai hahmottelee, kuinka kondensaatit voivat toimia "akkupisaroina". Näissä akuissa "rajapinnan" sähkökenttä ajaa kemiallisia reaktioita kennossa muuttamalla kemiallista energiaa sähköenergiaksi.

Proteiinikondensaatteja muodostuu luonnostaan epäjärjestyneiden proteiinien (IDP) faasimuutoksen kautta. Tätä prosessia säätelee liuottimen (vesi ja ionit) ja näiden kennomateriaalien fysikaalisten ominaisuuksien välinen vuorovaikutus. Tällainen materiaali luo luonnollisesti otollisen ympäristön nanomittakaavan sähkökemiallisen akun muodostumiselle.

Vaikka niiltä puuttuu akuissa käytetty metallilevyelektrodi, proteiineilla on silti samaa tarkoitusta palveleva rajapinta: pinta, jossa kondensaatti kohtaa ympäröivän liuottimen, ja jossa tietyt ionit ja molekyylit suosivat toista puolta toisen sijaan. Tämä epätasainen jakautuminen luo pieniä sähköisiä epätasapainoja, kuten miniatyyrisiä jännitteitä kennon sisällä.

Tämä jännite voi käynnistää sähkökemiallisia reaktioita, kuten metallielektrodi, ja siten tehostaa elektronien siirtoa. Ja koska nämä pisarat liikkuvat, törmäävät kalvoihin ja fuusioituvat toisiinsa, niiden rajapinnat järjestyvät jatkuvasti uudelleen – latautuvat ja purkautuvat purskeina.

Toisin sanoen solut voivat olla täynnä lukemattomia näitä pehmeitä "akkupisaroita", jotka varastoivat ja vapauttavat sähkökemiallista energiaa tarvittaessa, antaen synteettisille biologeille dynaamisen uuden tavan tuottaa signaaleja ja reaktioita, Dai sanoi.

Tässä työssä tiimi osoittaa, kuinka geneettisesti koodattuja proteiinimateriaaleja, jotka voivat itsejärjestäytyä proteiinikondensaateiksi, voidaan suunnitella "elektrogeeniseksi proteiinivoimalaitokseksi". Tämä voimalaitos voi olla ohjelmoitavissa riippuen siitä, miten ne muokkaavat näitä pintajäämiä ja missä määrin faasimuutoksen varausepätasapaino on epätasapainossa.

Tehokkaan akkupisaran ansiosta, joka voi toimia elävissä soluissa, tämän biotekniikan potentiaaliset sovellukset ovat tekniikan kehittyessä rajattomat.

Dain tiimi osoitti, että mikroskooppiset "moottorit" voivat käynnistää hieman alkemiaa ja tuottaa kulta- ja kuparinanohiukkasia suoraan elävissä soluissa. Tällaisia "biohybridi"-laitteita voitaisiin käyttää jätevesien saasteiden hajottamiseen.

Lisäksi samojen proteiinimateriaalien avulla he osoittavat, kuinka redox-reaktioita voidaan hyödyntää bakteerien tappamiseksi ilman antibiootteja, mikä voisi johtaa moniin uusiin lääketieteellisiin laitteisiin ihmisten terveyden parantamiseksi.

Aiheesta aiemmin:

Tutkijat ohjelmoivat soluja luomaan biologisen kubitin

Bakteerianturit sähköttävät havainnoistaan

Kytkin solussa sähköistää elämää