Live-Draht: Neue Forschungsergebnisse zur Nanoelektronik

Proteine ​​gehören zu den vielseitigsten und allgegenwärtigsten Biomolekülen auf der Erde. Die Natur verwendet sie für alles, vom Aufbau von Gewebe über die Regulierung des Stoffwechsels bis hin zur Verteidigung des Körpers gegen Krankheiten.

Nun zeigt eine neue Studie, dass Proteine ​​noch andere, weitgehend unerforschte Fähigkeiten besitzen. Unter den richtigen Bedingungen können sie als winzige, stromführende Drähte fungieren, die für eine Reihe von Menschen entwickelter Nanoelektronik nützlich sind.

In neuen Forschungsergebnissen, die in der Zeitschrift erscheinen ACS-Nano, Stuart Lindsay und seine Kollegen zeigen, dass bestimmte Proteine ​​als effiziente elektrische Leiter fungieren können. Tatsächlich haben diese winzigen Proteindrähte möglicherweise bessere Leitfähigkeitseigenschaften als ähnliche Nanodrähte aus DNA, die bereits für eine Vielzahl von Anwendungen am Menschen beachtliche Erfolge erzielt haben.

Professor Lindsay leitet das Biodesign Center for Single-Molecule Biophysics. Er ist außerdem Professor am Department of Physics und der School of Molecular Sciences der ASU.

Genau wie im Fall von DNA bieten Proteine ​​viele attraktive Eigenschaften für die Elektronik im Nanomaßstab, darunter Stabilität, einstellbare Leitfähigkeit und enorme Informationsspeicherkapazität. Obwohl Proteine ​​traditionell als schlechte elektrische Leiter galten, änderte sich dies kürzlich, als Lindsay und seine Kollegen demonstrierten, dass ein zwischen zwei Elektroden schwebendes Protein als effizienter Elektronenleiter fungieren kann.

Die neue Forschungsarbeit untersucht das Phänomen des Elektronentransports durch Proteine ​​genauer. Die Studienergebnisse belegen, dass Protein-Nanodrähte über große Entfernungen bessere Leitfähigkeitseigenschaften aufweisen als chemisch synthetisierte Nanodrähte, die speziell als Leiter entwickelt wurden. Darüber hinaus sind Proteine ​​selbstorganisierend und ermöglichen die Kontrolle ihrer Bestandteile auf atomarer Ebene.

Synthetisch gestaltete Protein-Nanodrähte könnten neue ultrakleine Elektronik mit potenziellen Anwendungen für medizinische Sensorik und Diagnostik, Nanoroboter zur Durchführung von Such- und Zerstörungsmissionen gegen Krankheiten oder in einer neuen Generation von ultrakleinen Computertransistoren hervorbringen. Lindsay interessiert sich besonders für das Potenzial von Protein-Nanodrähten für den Einsatz in neuen Geräten zur ultraschnellen DNA- und Proteinsequenzierung, einem Bereich, in dem er bereits bedeutende Fortschritte gemacht hat.

Zusätzlich zu ihrer Rolle in nanoelektronischen Geräten sind Ladungstransportreaktionen in lebenden Systemen entscheidend für Prozesse wie Atmung, Stoffwechsel und Photosynthese. Daher kann die Erforschung von Transporteigenschaften durch entworfene Proteine ​​neues Licht darauf werfen, wie solche Prozesse in lebenden Organismen ablaufen.

Während Proteine ​​viele der Vorteile von DNA für die Nanoelektronik in Bezug auf elektrische Leitfähigkeit und Selbstorganisation aufweisen, bietet das erweiterte Alphabet von 20 Aminosäuren, die zu ihrer Konstruktion verwendet werden, ein verbessertes Toolkit für Nanoarchitekten wie Lindsay, verglichen mit nur vier Nukleotiden, aus denen DNA besteht .

Transitbehörde

Obwohl der Elektronentransport ein Schwerpunkt beträchtlicher Forschung war, blieb die Natur des Elektronenflusses durch Proteine ​​ein Rätsel. Grob gesagt kann der Prozess durch Elektronentunneln, einen Quanteneffekt, der über sehr kurze Entfernungen auftritt, oder durch das Hüpfen von Elektronen entlang einer Peptidkette – im Fall von Proteinen einer Kette von Aminosäuren – erfolgen.

Ein Ziel der Studie bestand darin, durch quantitative Messungen der elektrischen Leitfähigkeit über verschiedene Längen von Protein-Nanodrähten festzustellen, welches dieser Regime zu funktionieren schien. Die Studie beschreibt auch ein mathematisches Modell, mit dem sich die molekularelektronischen Eigenschaften von Proteinen berechnen lassen.

Für die Experimente verwendeten die Forscher Proteinsegmente in Vier-Nanometer-Schritten mit einer Länge von 4 bis 20 Nanometern. Ein Gen wurde entwickelt, um diese Aminosäuresequenzen aus einer DNA-Matrize herzustellen, wobei die Proteinlängen dann zu längeren Molekülen zusammengefügt wurden. Ein hochempfindliches Instrument, das als Rastertunnelmikroskop bekannt ist, wurde verwendet, um präzise Messungen der Leitfähigkeit durchzuführen, während der Elektronentransport durch den Protein-Nanodraht fortschreitet.

Die Daten zeigen, dass die Leitfähigkeit über die Länge des Nanodrahts in einer Weise abnimmt, die eher mit dem Hopping- als mit dem Tunnelverhalten der Elektronen übereinstimmt. Spezifische aromatische Aminosäurereste (sechs Tyrosine und ein Tryptophan in jeder Korkenzieherwindung des Proteins) helfen dabei, die Elektronen auf ihrem Weg von Punkt zu Punkt zu führen, wie aufeinanderfolgende Stationen entlang einer Zugstrecke. „Der Elektronentransport ist so etwas wie das Springen eines Steins über Wasser – der Stein hat nicht die Zeit, bei jedem Sprung zu sinken“, sagt Lindsay.

Draht Wunder

Während die Leitwerte der Protein-Nanodrähte über die Entfernung abnahmen, taten sie dies allmählicher als bei herkömmlichen Molekulardrähten, die speziell als effiziente Leiter entwickelt wurden.

Wenn die Protein-Nanodrähte eine Länge von mehr als sechs Nanometern erreichten, übertraf ihre Leitfähigkeit molekulare Nanodrähte und öffnete die Tür für ihre Verwendung in vielen neuen Anwendungen. Die Tatsache, dass sie subtil entworfen und mit atomarer Kontrolle verändert und aus einer Genvorlage selbst zusammengesetzt werden können, ermöglicht fein abgestimmte Manipulationen, die weit über das hinausgehen, was derzeit mit herkömmlichem Transistordesign erreicht werden kann.

Eine aufregende Möglichkeit besteht darin, solche Protein-Nanodrähte zu verwenden, um andere Komponenten in einer neuen Suite von Nanomaschinen zu verbinden. Beispielsweise könnten Nanodrähte verwendet werden, um ein als DNA-Polymerase bekanntes Enzym mit Elektroden zu verbinden, was zu einem Gerät führen könnte, das möglicherweise ein gesamtes menschliches Genom kostengünstig in weniger als einer Stunde sequenzieren könnte. Ein ähnlicher Ansatz könnte die Integration von Proteosomen in nanoelektronische Geräte ermöglichen, die Aminosäuren für die Proteinsequenzierung lesen können.

„Wir fangen jetzt an, den Elektronentransport in diesen Proteinen zu verstehen. Sobald Sie quantitative Berechnungen durchgeführt haben, haben Sie nicht nur großartige molekulare elektronische Komponenten, sondern auch ein Rezept für deren Design“, sagt Lindsay. „Wenn Sie an das SPICE-Programm denken, mit dem Elektroingenieure Schaltungen entwerfen, gibt es jetzt einen Schimmer, dass Sie dies für Proteinelektronik bekommen könnten.“