La vita ha sempre giocato secondo il proprio insieme di regole molecolari. Dalla biochimica dietro le prime cellule, l'evoluzione ha costruito meraviglie come ossa dure, corteccia ruvida ed enzimi vegetali che raccolgono la luce per produrre cibo.

Ma i nostri strumenti per manipolare la vita, per curare le malattie, riparare i tessuti danneggiati e sostituire gli arti perduti, provengono dal regno non vivente:metalli, plastica e simili. Anche se questi salvano e preservano vite, i nostri trattamenti sintetici affondano le radici in un linguaggio chimico poco consono alla nostra eleganza organica. Cicatrice degli elettrodi impiantati, i fili si surriscaldano e i nostri corpi lottano contro pompe inadatte, tubi o valvole.

Una soluzione sta nel colmare questo divario in cui l'artificiale incontra il biologico, sfruttando le regole biologiche per scambiare informazioni tra la biochimica dei nostri corpi e la chimica dei nostri dispositivi. In un articolo pubblicato il 22 settembre in Rapporti scientifici , gli ingegneri dell'Università di Washington hanno svelato i peptidi, piccole proteine ​​che svolgono innumerevoli compiti essenziali nelle nostre cellule, che possono fornire proprio questo collegamento.

Il gruppo, guidato dal professore UW Mehmet Sarikaya nei Dipartimenti di Scienza e Ingegneria dei Materiali, mostra come un peptide geneticamente modificato può assemblarsi in nanofili in cima a 2-D, superfici solide che sono spesse solo un singolo strato di atomi. Questi assemblaggi di nanofili sono fondamentali perché i peptidi trasmettono informazioni attraverso l'interfaccia bio/nano attraverso il riconoscimento molecolare, gli stessi principi che sono alla base delle interazioni biochimiche come un anticorpo che si lega al suo antigene specifico o il legame proteico al DNA.

Poiché questa comunicazione è bidirezionale, con peptidi che comprendono il "linguaggio" della tecnologia e viceversa, il loro approccio consente essenzialmente un'interfaccia bioelettronica coerente.

"Colmare questo divario sarebbe la chiave per costruire i dispositivi a stato solido biomolecolari geneticamente modificati del futuro, " ha detto Sarikaya, che è anche professore di ingegneria chimica e scienze della salute orale.

Il suo team presso il Centro di scienza e ingegneria dei materiali geneticamente ingegnerizzati della UW studia come cooptare la chimica della vita per sintetizzare materiali con caratteristiche fisiche tecnologicamente significative, proprietà elettroniche e fotoniche. A Sarikaya, il "linguaggio" biochimico della vita è un'emulazione logica.

"La natura deve costantemente creare materiali per svolgere molti degli stessi compiti che cerchiamo, " Egli ha detto.

Il team UW vuole trovare peptidi geneticamente modificati con proprietà chimiche e strutturali specifiche. Hanno cercato un peptide che potesse interagire con materiali come l'oro, titanio e persino un minerale nelle ossa e nei denti. Tutto ciò potrebbe costituire la base di futuri dispositivi biomedici ed elettro-ottici. Il loro peptide ideale dovrebbe anche cambiare le proprietà fisiche dei materiali sintetici e rispondere a tale cambiamento. Quel modo, trasmetterebbe "informazioni" dal materiale sintetico ad altre biomolecole, colmando il divario chimico tra biologia e tecnologia.

Nell'esplorare le proprietà di 80 peptidi geneticamente selezionati, che non si trovano in natura ma hanno gli stessi componenti chimici di tutte le proteine, hanno scoperto che uno, GrBP5, hanno mostrato interazioni promettenti con il grafene semimetallico. Hanno quindi testato le interazioni di GrBP5 con diversi nanomateriali 2-D che, Sarikaya ha detto, "potrebbero servire come metalli o semiconduttori del futuro."

"Avevamo bisogno di conoscere le interazioni molecolari specifiche tra questo peptide e queste superfici solide inorganiche, " Ha aggiunto.

I loro esperimenti hanno rivelato che GrBP5 si è organizzato spontaneamente in modelli ordinati di nanofili sul grafene. Con poche mutazioni, GrBP5 ha anche alterato la conduttività elettrica di un dispositivo a base di grafene, il primo passo verso la trasmissione di informazioni elettriche dal grafene alle cellule tramite peptidi.

In parallelo, Il team di Sarikaya ha modificato GrBP5 per produrre risultati simili su un materiale semiconduttore, il disolfuro di molibdeno, convertendo un segnale chimico in un segnale ottico. Hanno anche previsto computazionalmente come le diverse disposizioni dei nanofili GrBP5 avrebbero influenzato la conduzione elettrica o il segnale ottico di ciascun materiale, mostrando un potenziale aggiuntivo all'interno delle proprietà fisiche di GrBP5.

"In un modo, siamo alle porte dell'inondazione, " ha detto Sarikaya. "Ora dobbiamo esplorare le proprietà di base di questo ponte e come possiamo modificarlo per consentire il flusso di 'informazioni' dai dispositivi elettronici e fotonici ai sistemi biologici".