Filamenti proteici ingegnerizzati originariamente prodotti dai batteri sono stati modificati dagli scienziati per condurre elettricità. In uno studio pubblicato di recente sulla rivista Small , i ricercatori hanno rivelato che i nanofili proteici, modificati aggiungendo un singolo composto, possono condurre elettricità su brevi distanze e sfruttare l'energia proveniente dall'umidità presente nell'aria.
"I nostri risultati aprono possibilità per lo sviluppo di componenti e dispositivi elettrici sostenibili e rispettosi dell'ambiente, basati su proteine", afferma il dott. Lorenzo Travaglini, autore principale dell'articolo. "Questi nanofili ingegnerizzati potrebbero un giorno portare a innovazioni nella raccolta di energia, nelle applicazioni biomediche e nel rilevamento ambientale."
Gli sviluppi nel campo interdisciplinare che combinano l'ingegneria proteica e la nanoelettronica sono promettenti anche per lo sviluppo di tecnologie all'avanguardia in grado di colmare il divario tra i sistemi biologici e i dispositivi elettronici.
"In definitiva, il nostro obiettivo è modificare i materiali prodotti dai batteri per creare componenti elettronici. Ciò potrebbe portare a un'era completamente nuova di elettronica verde, contribuendo a plasmare un futuro più sostenibile", afferma il Dott. Travaglini, supervisionato dal Dott. Dominic Glover nel SYNbioLAB della Scuola di Biotecnologia e Scienze Biomolecolari.
L'elettricità viene creata dal movimento degli elettroni, piccole particelle che trasportano una carica elettrica, tra gli atomi.
"Molti eventi in natura richiedono il movimento degli elettroni e sono fonte di ispirazione per nuove tecniche di raccolta dell'elettricità", afferma il dott. Travaglini. "Ad esempio, la clorofilla nelle piante ha bisogno di spostare gli elettroni tra diverse proteine per poter effettuare la fotosintesi."
I batteri presenti in natura utilizzano anche filamenti conduttivi, noti come nanofili, per trasferire gli elettroni attraverso le loro membrane. È importante sottolineare che i nanofili batterici che conducono elettricità hanno il potenziale per interagire con i sistemi biologici, come le cellule viventi, e potrebbero essere utilizzati nel biosensing per monitorare i segnali interni del corpo utilizzando un'interfaccia uomo-macchina.
Tuttavia, se estratti direttamente dai batteri, questi nanofili naturali sono difficili da modificare e hanno funzionalità limitate.
"Per superare queste limitazioni, abbiamo ingegnerizzato geneticamente una fibra utilizzando il batterio E. coli", afferma il dott. Travaglini. "Abbiamo modificato il DNA di E. coli in modo che i batteri non solo producessero le proteine di cui avevano bisogno per sopravvivere, ma costruissero anche la proteina specifica che avevamo progettato, che abbiamo poi ingegnerizzato e assemblato in nanofili in laboratorio."
Il team sapeva che di per sé la proteina prodotta dai batteri non sarebbe stata altamente conduttiva, ma che sarebbe stato necessario aggiungere un singolo ingrediente.
La parte mancante del puzzle era una molecola dell'eme.
L'eme è una struttura circolare, nota come anello di porfirina, con un atomo di ferro al centro. È responsabile del trasporto dell'ossigeno contenuto nei globuli rossi dai polmoni al resto del corpo.
Ricerche recenti hanno suggerito che quando le molecole dell’eme sono disposte strettamente insieme, consentono il trasferimento di elettroni. Quindi, il dottor Travaglini e il suo team hanno integrato l'eme nei filamenti prodotti dai batteri, sospettando che gli elettroni potessero saltare tra le molecole dell'eme se si trovassero abbastanza vicine tra loro.
In laboratorio, il team ha misurato la conduttanza dei filamenti ingegnerizzati stendendo una pellicola di materiale su un elettrodo e applicando un potenziale elettrico. "Come ci aspettavamo, abbiamo scoperto che aggiungendo l'eme al filamento, la proteina diventava conduttiva, mentre il filamento nudo senza l'eme non mostrava corrente", afferma il dottor Travaglini.
Sebbene il dottor Travaglini e il dottor Glover avessero inizialmente deciso di modulare un materiale presente in natura in un filo conduttivo, scoprirono alcuni risultati sorprendenti.
"Abbiamo eseguito i test di conducibilità in una camera dove è possibile controllare le condizioni esterne", spiega il dottor Travaglini. "Abbiamo iniziato a notare che in quelle che sono considerate 'condizioni ambientali', tra il 20% e il 30% di umidità, la corrente elettrica era più forte."
Il team ha deciso di effettuare più test, utilizzando quantità più spesse di materiale, inserito tra due elettrodi d'oro. "Abbiamo proposto che l'umidità creasse un gradiente di carica attraverso la profondità del materiale", afferma il dott. Travaglini. "E questa carica sbilanciata nel film è in grado di creare una breve corrente, senza dover applicare alcun potenziale."
Una volta scoperto che il filamento rispondeva all’umidità, hanno creato un semplice sensore di umidità per misurare come la corrente reagiva all’umidità nell’aria, semplicemente respirando sul dispositivo. "Abbiamo scoperto che ogni picco nella conduttività della fibra corrispondeva a un'espirazione", afferma il dottor Travaglini.
Questa ricerca potrebbe aprire la porta alla possibilità di produrre dispositivi elettrici ricavati da materiali sostenibili e non tossici che richiedono una potenza estremamente bassa.
"I componenti elettronici che tendiamo a utilizzare vengono creati attraverso processi che richiedono alte temperature e richiedono molta energia. Non sono verdi e i materiali da cui provengono possono essere tossici", afferma il dottor Travaglini. "L'uso dei biomateriali per creare elettricità è molto più rispettoso dell'ambiente. Possiamo produrre questi filamenti dai batteri ed è scalabile."
Le proprietà di questi complessi proteici potrebbero anche essere sintonizzabili modulando la struttura chimica dell'eme o l'ambiente circostante del filamento. Il team sta attualmente sperimentando l'incorporazione di diverse molecole di porfido per modificare le proprietà del materiale, comprese quelle di sensibilità alla luce. "Questo livello di controllo è difficile da ottenere con i nanofili batterici naturali, il che evidenzia la versatilità e il potenziale del nostro approccio sintetico", afferma il dott. Travaglini.
Il dottor Travaglini sottolinea che il suo team è ancora nelle fasi iniziali della ricerca, e potrebbe passare del tempo prima di vedere questi filamenti ingegnerizzati utilizzati nella nostra elettronica di tutti i giorni. "È davvero una questione di traduzione", dice. "Non sappiamo quanto tempo ci vorrà esattamente, ma possiamo vedere che stiamo andando nella giusta direzione."
Ulteriori informazioni: Lorenzo Travaglini et al, Fabbricazione di nanofili proteina-eme elettronicamente conduttivi per il power Harvesting, Piccolo (2024). DOI:10.1002/piccolo.202311661
Informazioni sul giornale: Piccolo
Fornito dall'Università del Nuovo Galles del Sud
