Fluoreszierende Proteine, insbesondere grün fluoreszierendes Protein (GFP), können als auf Licht ansprechendes Element fungieren, das Ereignisse durch elektrisch leitfähige Wandler wie einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) und Graphen weiterleitet. Die Leitfähigkeit und die optischen Eigenschaften von SWCNTs machen sie besonders nützlich für die Erzeugung aktiver Bionanohybridsysteme, insbesondere da ihre inhärenten Eigenschaften durch chemische Modifikationen verändert werden können.
In neuerer Forschung wurden optisch aktive Proteine verwendet, um die Leitfähigkeit über einen einzelnen SWCNT-Transistor zu modulieren. Das Forschungsteam, dem Wissenschaftler aus Großbritannien, Russland und Serbien angehören, hat die Ergebnisse soeben in der Fachzeitschrift veröffentlicht Fortschrittliche Funktionsmaterialien.
Die Forscher verwendeten genetisch kodierte Phenylazid(azF)-Chemie, um GFP direkt mit einem Kohlenstoff-Nanoröhren-Transistor zu verbinden. Zwei verschiedene GFP-Varianten mit azF an zwei unterschiedlichen Positionen – nahe am Chromophor und weiter entfernt vom Chromophor – wurden verwendet, um die Bindungsstelle zu kontrollieren.
Der elektronische Chip basiert auf einzelnen Kohlenstoffnanoröhren mit bekannter Chiralität, um seine optoelektronischen Eigenschaften in Gegenwart einer zählbaren Anzahl fluoreszierender Proteine zu erforschen. Die Modulation der Leitfähigkeit in einem modifizierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Transistor ist selektiv und nur möglich, wenn die Struktur mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt wird, die der maximalen Absorption des Chromophors in einem fluoreszierenden Protein entspricht.
Dr. Ivan Bobrinetsliy, leitender Forscher am Biosense Institute, sagte, das aufregendste Ergebnis sei, dass die „GFP-Anheftungsstelle die Modulationseigenschaften einer Kohlenstoffnanoröhre diktiert“.
„Was diese unterschiedlichen Effekte verursacht, sind unterschiedliche Ladungsübertragungswege, die GFP zwischen dem Chromophor und der Kohlenstoffnanoröhre zur Verfügung stehen, insbesondere der Weg zurück in den dunklen Zustand.“
Einer der Hauptautoren, Nikita Nekrasov, ein Ph.D. Student von MIET, sagte: „Die Forschung demonstrierte die grundlegende Entdeckung in [the] Fähigkeit biologischer Moleküle, die elektronischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgrund der Veränderung in zu manipulieren [their] relative Position. Bio-optoelektronische Schnittstellen mit Kohlenstoff-Nanoröhren sind vielversprechend für die Herstellung energieeffizienter Fototransistoren zum Bau ‚grüner‘ photonischer integrierter Schaltungen.“
Diese Ergebnisse ebnen den Weg für die Entwicklung neuartiger molekularer Optoelektronik, Biosensoren und photovoltaischer Elemente. Die Verwendung eines Multiarrays von Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Transistoren mit verschiedenen genetisch codierten Proteinen macht es möglich, optoelektronische Miniaturelemente mit vollem Spektrum zu entwerfen.
Neben dem Design von elektronischen und photonischen Einzelmolekülgeräten ist die Verwendung optischer Methoden zur Modifizierung von Kohlenstoffnanoröhren hochgradig skalierbar und kann die Grundlage für biologisch abbaubare und umweltfreundliche Solarzellen und die Herstellung optoelektronischer Speicher für photonische integrierte Schaltkreise werden.
Rebecca EA Gwyther et al, Differential Bio‐Optoelectronic Gating of Semiconductor Carbon Nanotubes by Variating the Covalent Attachment Residue of a Green Fluorescent Protein, Fortschrittliche Funktionsmaterialien (2022). DOI: 10.1002/adfm.202112374