Credito:ACS
Le proteine sono tra le biomolecole più versatili e onnipresenti sulla terra. La natura li usa per qualsiasi cosa, dalla costruzione dei tessuti alla regolazione del metabolismo fino alla difesa del corpo dalle malattie.
Ora, un nuovo studio mostra che le proteine hanno altre capacità, in gran parte inesplorate. Nelle giuste condizioni, possono agire come minuscoli fili che trasportano corrente, utili per una gamma di nanoelettronica progettata dall'uomo.
In una nuova ricerca che appare sulla rivista ACS Nano, Stuart Lindsay e i suoi colleghi mostrano che alcune proteine possono agire come efficienti conduttori elettrici. In effetti, questi minuscoli fili proteici possono avere proprietà di conduttanza migliori rispetto a nanofili simili composti di DNA, che hanno già riscontrato un notevole successo per una serie di applicazioni umane.
Il professor Lindsay dirige il Biodesign Center for Single-Molecule Biophysics. È inoltre docente presso il Dipartimento di Fisica e la Scuola di Scienze Molecolari dell'ASU.
Proprio come nel caso del DNA, le proteine offrono molte proprietà interessanti per l'elettronica su scala nanometrica, tra cui stabilità, conduttanza sintonizzabile e vasta capacità di archiviazione delle informazioni. Sebbene le proteine siano state tradizionalmente considerate come cattive conduttrici di elettricità, di recente tutto è cambiato quando Lindsay e i suoi colleghi hanno dimostrato che una proteina in bilico tra una coppia di elettrodi potrebbe agire come un efficiente conduttore di elettroni.
La nuova ricerca esamina più in dettaglio il fenomeno del trasporto di elettroni attraverso le proteine. I risultati dello studio stabiliscono che su lunghe distanze, i nanofili proteici mostrano migliori proprietà di conduttanza rispetto ai nanofili sintetizzati chimicamente specificamente progettati per essere conduttori. Inoltre, le proteine si auto-organizzano e consentono il controllo su scala atomica delle loro parti costituenti.
I nanofili proteici progettati sinteticamente potrebbero dare origine a una nuova elettronica ultra-piccola, con potenziali applicazioni per il rilevamento e la diagnostica medica, nanorobot per svolgere missioni di ricerca e distruzione contro malattie o in una nuova generazione di transistor per computer ultra-minuscoli. Lindsay è particolarmente interessato al potenziale dei nanofili proteici da utilizzare in nuovi dispositivi per eseguire il sequenziamento ultraveloce del DNA e delle proteine, un'area in cui ha già fatto passi da gigante.
Oltre al loro ruolo nei dispositivi nanoelettronici, le reazioni di trasporto di carica sono cruciali nei sistemi viventi per processi tra cui respirazione, metabolismo e fotosintesi. Pertanto, la ricerca sulle proprietà di trasporto attraverso proteine progettate potrebbe gettare nuova luce sul modo in cui tali processi operano all'interno degli organismi viventi.
Sebbene le proteine abbiano molti dei vantaggi del DNA per la nanoelettronica in termini di conduttanza elettrica e autoassemblaggio, l'alfabeto ampliato di 20 aminoacidi utilizzato per costruirle offre un kit di strumenti potenziato per nanoarchitetti come Lindsay, rispetto ai soli quattro nucleotidi che compongono il DNA .
Autorità di transito
Sebbene il trasporto di elettroni sia stato al centro di ricerche considerevoli, la natura del flusso di elettroni attraverso le proteine è rimasta un mistero. In generale, il processo può avvenire attraverso il tunneling degli elettroni, un effetto quantistico che si verifica su distanze molto brevi o attraverso il salto di elettroni lungo una catena peptidica, nel caso delle proteine, una catena di amminoacidi.
Uno degli obiettivi dello studio era determinare quale di questi regimi sembrava funzionare effettuando misurazioni quantitative della conduttanza elettrica su diverse lunghezze di nanofili proteici. Lo studio descrive anche un modello matematico che può essere utilizzato per calcolare le proprietà elettromolecolari delle proteine.
Per gli esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato segmenti proteici con incrementi di quattro nanometri, che vanno da 4 a 20 nanometri di lunghezza. È stato progettato un gene per produrre queste sequenze di amminoacidi da un modello di DNA, con le lunghezze delle proteine poi legate insieme in molecole più lunghe. Uno strumento altamente sensibile noto come microscopio a scansione di tunnel è stato utilizzato per effettuare misurazioni precise della conduttanza mentre il trasporto di elettroni progrediva attraverso il nanofilo proteico.
I dati mostrano che la conduttanza diminuisce sulla lunghezza del nanofilo in modo coerente con il comportamento di salto piuttosto che di tunneling degli elettroni. Specifici residui di amminoacidi aromatici, (sei tirosine e un triptofano in ogni spirale della proteina), aiutano a guidare gli elettroni lungo il loro percorso da un punto all'altro come stazioni successive lungo un percorso ferroviario. "Il trasporto di elettroni è un po' come saltare una pietra sull'acqua:la pietra non ha il tempo di affondare ad ogni salto", dice Lindsay.
Meraviglie del filo
Mentre i valori di conduttanza dei nanofili proteici sono diminuiti sulla distanza, lo hanno fatto in modo più graduale rispetto ai fili molecolari convenzionali specificamente progettati per essere conduttori efficienti.
Quando i nanofili proteici hanno superato i sei nanometri di lunghezza, la loro conduttanza ha superato i nanofili molecolari, aprendo la porta al loro utilizzo in molte nuove applicazioni. Il fatto che possano essere sottilmente progettati e modificati con il controllo su scala atomica e autoassemblati da un modello genetico consente manipolazioni perfezionate che superano di gran lunga ciò che è attualmente possibile ottenere con la progettazione di transistor convenzionale.
Una possibilità interessante è l'utilizzo di tali nanofili proteici per collegare altri componenti in una nuova suite di nanomacchine. Ad esempio, i nanofili potrebbero essere utilizzati per collegare un enzima noto come DNA polimerasi agli elettrodi, risultando in un dispositivo che potrebbe potenzialmente sequenziare un intero genoma umano a basso costo in meno di un'ora. Un approccio simile potrebbe consentire l'integrazione dei proteosomi in dispositivi nanoelettronici in grado di leggere gli amminoacidi per il sequenziamento delle proteine.
"Stiamo iniziando ora a comprendere il trasporto di elettroni in queste proteine. Una volta che hai calcoli quantitativi, non solo hai grandi componenti elettronici molecolari, ma hai una ricetta per progettarli", dice Lindsay. "Se pensi al programma SPICE che gli ingegneri elettrici usano per progettare circuiti, c'è un barlume ora che potresti ottenerlo per l'elettronica proteica". + Esplora ulteriormente
