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I microbiologi fanno il grande salto nell'elettronica “verde” di sviluppo

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La ricerca di UMass Amherst trova che rendimenti del microbo migliora il materiale elettronico

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Microbiologi all'università di rapporto di Massachusetts Amherst che hanno scoperto un nuovo tipo di nanowire microbico prodotto dai batteri che potrebbero notevolmente accelerare lo sviluppo dei materiali di conduzione «verdi» sostenibili per l'industria elettronica.

Lo studio da Derek Lovley e dai colleghi compare questa settimana in una carta in mBio, la società americana di aperto Access del giornale primo della microbiologia.

Un batterio conosciuto come i sulfurreducens di Geobacter usa naturalmente i filamenti della proteina per fare i collegamenti elettrici con altri microbi o minerali.

Come Lovley spiega, «i nanowires microbici sono un materiale elettronico rivoluzionario con i vantaggi sostanziali sopra i materiali artificiali. Chimicamente sintetizzare i nanowires in laboratorio richiede i prodotti chimici tossici, le temperature elevate e/o i metalli costosi. Il fabbisogno energetico è enorme. Al contrario, i nanowires microbici naturali possono essere prodotti in serie alla temperatura ambiente dai materiali di base rinnovabili economici in bioreattori con gli assorbimenti di energia molto più bassa. Ed il prodotto finito è esente dalle componenti tossiche.»

Micrografi confocali del laser di esame dei biofilm dell'anodo dei sulfurreducens del G. raccolti il giorno 10. Antivari, µm 25. (credito: Et al./mBio di Yang Tan)

L'offerta microbica dei nanowires un potenziale senza precedenti per sviluppare gli apparecchi elettronici novelli ed i sensori per le diverse applicazioni con una nuova tecnologia rispettosa dell'ambiente, adorabili dice. «Questo è un avanzamento importante nella tecnologia microbica del nanowire. L'approccio che descriviamo in questa carta dimostra un metodo rapido per la prospezione in natura per trovare i migliori materiali elettronici.»

Quando il suo laboratorio ha cominciato ad esaminare i filamenti della proteina di altre specie di Geobacter, sono stati sorpresi trovare una vasta gamma nelle conducibilità. Per esempio, le specie una recuperate da suolo uranio-contaminato hanno prodotto i filamenti male conduttivi. Tuttavia, le altre specie, metallireducens di Geobacter hanno prodotto i nanowires 5.000 volte più conduttive dei cavi dei sulfurreducens del G. Lovley ricorda, «ho isolato i metallireducens da fango nel fiume Potomac 30 anni fa ed ogni paio d'anni che ci dà una nuova sorpresa.»

Nel loro nuovo studio di sostegno dall'ufficio degli Stati Uniti della ricerca navale, non hanno studiato direttamente lo sforzo dei metallireducens del G. Invece, hanno preso il gene per la proteina che monta nei nanowires microbici da ed ha inserito questa nei sulfurreducens del G. Il risultato è sulfurreducens geneticamente modificati di un G. che esprime la proteina dei metallireducens del G., rendenti i nanowires molto più conduttivi dei sulfurreducens del G. produrrebbero naturalmente.

Più ulteriormente, Lovley dice, «abbiamo trovato che i sulfurreducens del G. esprimeranno i geni del filamento da molti tipi differenti di batteri. Ciò lo rende semplice produrre una diversità dei filamenti nello stesso microrganismo e studiare le loro proprietà nelle simili circostanze.»

L'alta conducibilità dei nanowires dei metallireducens del G. suggerisce che possano essere un materiale attraente per la costruzione dei materiali, degli apparecchi elettronici e dei sensori conduttivi per le applicazioni mediche o ambientali. Gli autori dicono che scoprendo più circa i meccanismi della conducibilità del nanowire «fornisce la comprensione importante in come potremmo fare ancora i migliori cavi con i geni che ci progettiamo.»

L'estratto di espressione dei metallireducens PilA di Geobacter nei sulfurreducens di Geobacter rende Pili con la conducibilità eccezionale

Il pili elettricamente conduttivo (e-pili) del servire dei sulfurreducens di Geobacter da modello per una strategia novella per trasferimento di elettroni extracellulare a lungo raggio. il e-pili è inoltre una nuova classe di materiali bioelectronic. Tuttavia, il solo l'altro pili di Geobacter precedentemente ha studiato, che provenivano dai uraniireducens del G., era male conduttivo. Per ottenere più informazioni sulla gamma di conducibilità di pili in specie di Geobacter, il pili dei metallireducens del G. è stato studiato. Heterologously che esprime il gene di PilA dei metallireducens del G. nei sulfurreducens del G. ha reso uno sforzo dei sulfurreducens del G., designato mp di sforzo, che ha prodotto il pili abbondante. Il mp di sforzo ha esibito i fenotipi coerenti con la presenza di e-pili, quali i tassi alti di Fe (III) riduzione dell'ossido e densità a corrente forte sugli anodi della grafite. Il singolo pili pronto a pH fisiologicamente pertinente 7 ha avuto conducibilità 277 di ± 18,9 S/cm (deviazione standard media del ±), che è volta 5.000 superiore alla conducibilità del pili dei sulfurreducens del G. al milione-popolare di pH 7 e quasi 1 superiore alla conducibilità del pili dei uraniireducens del G. allo stesso pH. Una spiegazione potenziale per il più alta conducibilità del pili dei metallireducens del G. è la loro maggior densità degli aminoacidi aromatici, che sono conosciuti per essere componenti importanti nel trasporto dell'elettrone sulla lunghezza del pilus. Il pili dei metallireducens del G. rappresentare il pili il più altamente conduttivo ha trovato fin qui e suggerisce le strategie per la progettazione del pili sintetico con ancora le più alte conducibilità.