„Elektronische Nase“ aus nachhaltig gewonnenen mikrobiellen Nanodrähten, die die Gesundheitsüberwachung revolutionieren könnten

Um diese Durchbrüche zu erzielen, die im Journal detailliert beschrieben wurden Biosensoren und BioelektrikDie leitenden Autoren Derek Lovley, angesehener Professor für Mikrobiologie an der UMass Amherst, und Jun Yao, Professor für Elektro- und Computertechnik am College of Engineering der UMass Amherst, mussten nicht weiter als bis zu ihrer eigenen Nase blicken. „Menschliche Nasen haben Hunderte von Rezeptoren, von denen jeder auf ein bestimmtes Molekül reagiert“, sagt Yao. „Sie sind weitaus empfindlicher und effizienter als jedes mechanische oder chemische Gerät, das man entwickeln könnte. Wir fragten uns, wie wir das biologische Design selbst nutzen könnten, anstatt uns auf ein synthetisches Material zu verlassen.“

Mit anderen Worten: Das Team fragte sich, ob es mit der Natur zusammenarbeiten könnte, um Krankheiten aufzuspüren – und es stellte sich heraus, dass ihnen genau das gelungen ist.

Die Antwort beginnt mit einem Bakterium namens Geobacter Sulfurreducens, mit dem Lovley und Yao zuvor einen Biofilm erzeugten, der in der Lage ist, langfristig und kontinuierlich Strom aus Ihrem Schweiß zu erzeugen. G. schwefelreducens' hat die überraschende natürliche Fähigkeit, winzige, elektrisch leitfähige Nanodrähte wachsen zu lassen.

Aber G. schwefelreducens ist ein heikles Bakterium, das bestimmte Wachstumsbedingungen benötigt, was den Einsatz in großem Maßstab erschwert. „Was wir getan haben“, sagt Lovley, „ist, das ‚Nanodraht-Gen‘ – Pilin genannt – zu entfernen.“ G. schwefelreducens und es in die DNA von integrieren Escherichia coli, eines der am weitesten verbreiteten Bakterien der Welt.'

Sobald das Pilin-Gen entfernt wurde G. schwefelreducens, Lovley, Yao und ihr Team modifizierten es so, dass es ein spezifisches Peptid namens DLESFL enthielt, das äußerst empfindlich auf Ammoniak reagiert – eine Chemikalie, die häufig im Atem von Menschen mit Nierenerkrankungen vorkommt. Als sie dann das modifizierte Pilin-Gen einspleißten E. coliIn der DNA des genetisch veränderten Bakteriums sprossen winzige Nanodrähte, die mit dem Ammoniak-empfindlichen Peptid strotzen. Anschließend erntete das Team diese ammoniakempfindlichen Nanodrähte und baute sie in einen Sensor ein.

„Durch die genetische Veränderung der Nanodrähte reagierten sie 100-mal stärker auf Ammoniak als ursprünglich“, sagt Yassir Lekbach, Co-Hauptautor des Artikels und Postdoktorand in Mikrobiologie an der UMass Amherst. „Die von Mikroben hergestellten Nanodrähte funktionieren als Sensoren viel besser 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 des Papiers und Forschungsprofessor für Mikrobiologie an der UMass Amherst, sagt, dass „es möglich ist, einzigartige Peptide zu entwerfen, von denen jedes spezifisch ein Molekül von Interesse bindet. Je mehr Tracermoleküle von dem emittiert werden Wenn Körper und Körper identifiziert werden, die für eine bestimmte Krankheit spezifisch sind, können wir Sensoren herstellen, die Hunderte verschiedener Nanodrähte zum Aufspüren chemischer Substanzen enthalten, um alle Arten von Gesundheitszuständen zu überwachen.'

Ein neues Paradigma für die Elektrotechnik

Herkömmliche Nanodrähte aus Silizium oder Kohlenstofffasern können hochgiftig sein – Kohlenstoffnanoröhren sind selbst krebserregend – und enden als nicht biologisch abbaubarer Elektroschrott. Die Ernte und Verarbeitung ihrer Rohstoffe kann enorme Mengen an Energie und Chemikalien erfordern und außerdem erhebliche 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 führen. Anstelle von Drähten aus knappen Rohstoffen, die nicht biologisch abbaubar sind, werden die Das Schöne an diesen Protein-Nanodrähten ist, dass man das genetische Design des Lebens nutzen kann, um eine stabile, vielseitige, wirkungsarme und kostengünstige Plattform aufzubauen.'

Diese Forschung wurde von der National Science Foundation unterstützt und vom Institute for Applied Life Sciences (IALS) an der UMass Amherst gefördert, das umfassendes und interdisziplinäres Fachwissen aus 29 Abteilungen vereint, um Grundlagenforschung in Innovationen umzusetzen, die der menschlichen Gesundheit und dem Wohlbefinden zugute kommen.