Wissenschaftler der University of Massachusetts Amherst gaben kürzlich die Erfindung eines Nanodrahts bekannt, der 10.000 Mal dünner als ein menschliches Haar ist, der von gewöhnlichen Bakterien billig gezüchtet und so eingestellt werden kann, dass er eine Vielzahl chemischer Tracer „riecht“ – einschließlich der abgegebenen von Menschen mit verschiedenen Erkrankungen wie Asthma und Nierenerkrankungen.
Tausende dieser speziell abgestimmten Drähte, von denen jeder eine andere Chemikalie aufspürt, können auf winzige, tragbare Sensoren geschichtet werden, was Gesundheitsdienstleistern ein beispielloses Werkzeug zur Überwachung potenzieller gesundheitlicher Komplikationen bietet. Da diese Drähte von Bakterien gezüchtet werden, sind sie organisch, biologisch abbaubar und weitaus umweltfreundlicher als jeder anorganische Nanodraht.
Um diese Durchbrüche zu machen, die in der Zeitschrift detailliert beschrieben wurden Biosensoren und Bioelektrikmussten die leitenden Autoren Derek Lovley, Distinguished Professor of Microbiology an der UMass Amherst, und Jun Yao, Professor für Elektro- und Computertechnik am College of Engineering der UMass Amherst, nicht weiter als bis zu ihrer eigenen Nase schauen.
„Menschliche Nasen haben Hunderte von Rezeptoren, von denen jeder auf ein bestimmtes Molekül anspricht“, sagt Yao. „Sie sind weitaus empfindlicher und effizienter als jedes mechanische oder chemische Gerät, das konstruiert werden könnte. Wir haben uns gefragt, wie wir das biologische Design selbst nutzen könnten, anstatt uns auf ein synthetisches Material zu verlassen.“
Mit anderen Worten, das Team fragte sich, ob sie mit der Natur zusammenarbeiten könnten, um Krankheiten aufzuspüren – und es stellte sich heraus, dass sie genau das getan haben.
Die Antwort beginnt mit einem Bakterium namens Geobacter sulfurreducens, mit dem Lovley und Yao zuvor a Biofilm, der in der Lage ist, langfristig und kontinuierlich Strom aus Ihrem Schweiß zu produzieren. G. sulfurreducens hat die überraschende natürliche Fähigkeit, winzige, elektrisch leitfähige Nanodrähte zu züchten.
Aber G. sulfurreducens ist ein kniffliges Bakterium, das bestimmte Wachstumsbedingungen benötigt, was es schwierig macht, es in großem Maßstab zu verwenden. „Was wir getan haben“, sagt Lovley, „ist, das ‚Nanodraht-Gen‘ – genannt Pilin – aus G. sulfurreducens zu nehmen und es in die DNA von Escherichia coli, einem der am weitesten verbreiteten Bakterien der Welt, zu spleißen.“
Nachdem das Pilin-Gen aus G. sulfurreducens entfernt worden war, modifizierten Lovley, Yao und sein Team es so, dass es ein spezifisches Peptid namens DLESFL enthielt, das extrem empfindlich auf Ammoniak reagiert – eine Chemikalie, die oft im Atem von Menschen mit Nierenerkrankungen vorhanden ist . Als sie dann das modifizierte Pilin-Gen in die DNA von E. coli spleißten, keimte das genetisch veränderte Bakterium winzige Nanodrähte, die mit dem Ammoniak-Sensor-Peptid übersät waren. Das Team sammelte dann diese ammoniakempfindlichen Nanodrähte und baute sie in einen Sensor ein.
„Durch die genetische Veränderung der Nanodrähte reagierten sie 100-mal besser auf Ammoniak als sie ursprünglich waren“, sagt Yassir Lekbach, Co-Hauptautor der Veröffentlichung und Postdoktorand in Mikrobiologie an der UMass Amherst. „Die von Mikroben produzierten Nanodrähte funktionieren viel besser als Sensoren als zuvor beschriebene Sensoren, die mit herkömmlichen Silizium- oder Metall-Nanodrähten hergestellt wurden.“
Und es besteht keine Notwendigkeit, diese neuen Sensoren nur auf Ammoniak und Nierenerkrankungen zu beschränken. Toshiyuki Ueki, der andere Co-Hauptautor der Arbeit und Forschungsprofessor für Mikrobiologie an der UMass Amherst, sagt, dass „es möglich ist, einzigartige Peptide zu entwickeln, von denen jedes spezifisch ein interessierendes Molekül bindet. Also als weitere Tracer-Moleküle, die vom Körper abgegeben werden und die für eine bestimmte Krankheit spezifisch sind, können wir Sensoren herstellen, die Hunderte von verschiedenen Nanodrähten zum Schnüffeln von Chemikalien enthalten, um alle Arten von Gesundheitszuständen zu überwachen.
Ein neues Paradigma für die Elektrotechnik
Herkömmliche Nanodrähte aus Silizium oder Kohlefaser können hochgiftig sein – Kohlenstoffnanoröhren sind selbst krebserregend – und enden als nicht biologisch abbaubarer Elektroschrott. Ihre Rohstoffe können enorme Mengen an Energie und Chemikalien für die Ernte und Verarbeitung erfordern und auch tiefgreifende Auswirkungen auf die Umwelt haben. Da die Nanodrähte von Lovley und Yao jedoch aus gewöhnlichen Bakterien gezüchtet werden, sind sie weitaus nachhaltiger.
„Eines der aufregendsten Dinge an dieser Forschungsrichtung“, sagt Yao, „ist, dass wir die Elektrotechnik in eine grundlegend neue Richtung lenken. Anstelle von Drähten aus knappen Rohstoffen, die nicht biologisch abbaubar sind, die Schönheit dieser Protein-Nanodrähte besteht darin, dass Sie das genetische Design des Lebens nutzen können, um eine stabile, vielseitige, wirkungsarme und kostengünstige Plattform zu bauen.“
Mehr Informationen:
Yassir Lekbach et al, Mikrobielle Nanodrähte mit genetisch modifizierten Peptidliganden zur nachhaltigen Herstellung elektronischer Sensorgeräte, Biosensoren und Bioelektronik (2023). DOI: 10.1016/j.bios.2023.115147