I chimici del College of Arts and Sciences della Syracuse University hanno compiuto un progresso trasformativo in una fonte di illuminazione alternativa, una che non richiede una batteria o una presa.

Il Professore Associato Mathew Maye e un team di ricercatori di Siracusa, insieme a collaboratori del Connecticut College, hanno recentemente dimostrato un trasferimento di energia ad alta efficienza tra le barre quantiche semiconduttrici e gli enzimi luciferasi. Le barre quantiche e gli enzimi luciferasi sono nanomateriali e biomateriali, rispettivamente. Se combinati correttamente, questi materiali producono bioluminescenza, tranne, invece di provenire da un biomateriale, come un enzima di lucciola, la luce emette da un nanomateriale, ed è verde, arancia, rosso, o nel vicino infrarosso a colori.

"Pensa al nostro sistema come a un progetto di design, " Maye dice. "Il nostro obiettivo è stato quello di costruire un nano-biosistema che sia abbastanza versatile da insegnarci molto, consentendoci di superare sfide significative sul campo e avere applicazioni pratiche. Il design prevede materiali provenienti dai nostri laboratori di chimica e biologia, così come vari strumenti di nanoscienza e di autoassemblaggio. È un vero lavoro di squadra con molteplici collaborazioni".

Maye illustra il suo punto facendo riferimento a barre quantiche, ognuno dei quali è largo quattro nanometri e lungo 50 nanometri. (Un nanometro è 1 miliardesimo di metro.) "Le aste sono state sintetizzate chimicamente con una precisione sorprendente, " dice. "Per ottenere le migliori informazioni, ci siamo resi conto che avevamo bisogno di almeno due diversi tipi di canne, ciascuno con tre variazioni sinteticamente sintonizzate, e fino a 10 diverse condizioni di montaggio."

La disponibilità di un'ampia gamma di variabili ha consentito a Maye e al suo team di saperne di più sulla scienza del trasferimento di energia in nanobiologia.

Prima di diventare un postdoc presso l'Università di Notre Dame, Rabeka Alam G'13 ha guidato il progetto a Siracusa come Ph.D. alunno. Dice che questo lavoro illumina un tipo speciale di interazione noto come trasferimento di energia per risonanza alla bioluminescenza (BRET). "Nelle nanoscienze, un punto quantico o un'asta è in genere un donatore di energia, "dice. "Nel nostro caso, l'energia proveniva dalla luciferasi bioluminescente."

Con BRET, l'enzima è attaccato alla superficie dell'asta. Luciferina è aggiunta, e agisce come una sorta di carburante. Quando l'enzima e il carburante interagiscono, rilasciano un'energia che viene trasferita all'asta, facendolo risplendere.

"Il trucco per aumentare l'efficienza [di BRET] è trovare la giusta combinazione donatore-accettore, che richiede diversi bastoncelli ed enzimi, "dice Liliana Karam, un dottorato di ricerca di Siracusa studente che attualmente dirige il progetto. "Grazie ai nostri colleghi del Connecticut College, abbiamo enzimi geneticamente manipolati di più colori che sono attaccati alle aste, quale, a sua volta, vengono preparati nel nostro laboratorio di Siracusa."

Maye dice che le aste quantiche sono composte da elementi semiconduttori, in particolare, un guscio esterno di solfuro di cadmio e un nucleo interno di seleniuro di cadmio. Manipolando le dimensioni e la forma del nucleo, la lunghezza dell'asta, e il modo in cui gli enzimi sono attaccati e impacchettati sulla superficie dell'asta, i ricercatori sono in grado di alterare il colore e l'intensità della luce emessa, dimostrando così l'efficienza complessiva del processo.

Postodc Tennyson Doane, un membro anziano del Maye Research Group, dice che una delle scoperte del progetto riguarda un tipo speciale di canna noto come "rod-in-rod". Il gruppo ha ipotizzato il motivo per cui questa particolare canna si traduce in guadagni ad alta efficienza.

"Quando hai un nucleo a forma di bastoncino, la fluorescenza risultante è polarizzata, significa che la luce circolare entra, e fuoriesce luce polarizzata linearmente, "dice Doane, aggiungendo che la forma del materiale rende BRET più efficiente. "Crediamo che, quando allineato correttamente con lo stato di eccitazione della luciferasi, l'asta sperimenta guadagni di efficienza che altrimenti non si verificano in un nanosistema autoassemblato. Il controllo della posizione dell'enzima e della polarizzazione della bioluminescenza può, un giorno, portare a nuovi "interruttori della luce, "in cui solo alcuni enzimi attorno alla barra quantica sono in grado di interagire tramite BRET."

Maye lo chiama "usare la biologia per applicazioni non biologiche".

"I nostri nanorod sono realizzati con gli stessi materiali utilizzati nei chip dei computer, pannelli solari, e luci a LED [diodo emettitore di luce]. Al momento, il nostro sistema funziona meglio nella gamma dal rosso al vicino infrarosso, che ha lunghezze d'onda più lunghe della luce visibile, ed è invisibile agli occhi, " lui dice, alludendo agli occhiali per la visione notturna, imaging medico, e rapida rilevazione microbica. "Il nostro lavoro è in attesa di brevetto a Siracusa. Forse, un giorno avremo nanobarre ricoperte di lucciole che possono essere inserite nelle luci a LED e non richiedono una spina."

I risultati sono oggetto di un recente articolo in ACS Nano .