В мире электроники наступил новый этап — эра биоэлектроники, где живые материалы становятся основой для создания устройств будущего. Ученые из Университета Нового Южного Уэльса и Калифорнийского университета в Беркли открыли удивительные свойства белковых нанонитей, которые не только проводят электричество, но и способны собирать энергию из окружающей среды.
Протеиновые нити, подобно крошечным кабелям, созданным самой природой, состоят из белковых молекул, способных к самосборке. Ученые использовали белок гамма-префолдин (PFD), выделяемый из древних архей — экстремофильных микроорганизмов, обитающих в самых экстремальных условиях нашей планеты. PFD обладает уникальной способностью складываться в длинные, прочные нити, идеально подходящие для создания нанопроводников.
Однако, как и большинство белков, PFD сам по себе является изолятором. Чтобы «оживить» его, ученые обратились к молекуле гема, известной своей способностью переносить электроны. Гем — это то самое вещество, которое придает крови красный цвет, участвуя в переносе кислорода.
Исследователи обнаружили, что молекулы гема естественным образом прикрепляются к PFD, выстраиваясь в упорядоченные ряды вдоль белковой нити. Так, белково-гемовые нанопровода стали реальностью!
Электропроводность этих удивительных материалов оказалась сопоставимой с проводимостью бактериальных нанонитей, которые ранее считались чемпионами в мире микроорганизмов. Ученые смогли подтвердить способность нанопроводов передавать электроны на микронные расстояния — настоящий прорыв в мире миниатюризации электронных устройств.
Но самое интересное открытие ждало ученых впереди. Оказалось, что белково-гемовые нанопровода могут собирать энергию из воздуха, используя влажность окружающей среды. Как это происходит?
Влага проникает в белковую матрицу, ионизируя карбоксильные группы, которыми богат PFD. В результате образуется градиент зарядов, подобно тому, как это происходит в батарейке. Разница потенциалов между поверхностью и основанием пленки из нанопроводов создает электрический ток.
Мощность таких «живых батареек» оказалась на несколько порядков выше, чем у аналогов, созданных из углеродных материалов.
Ученые также продемонстрировали, как белково-гемовые нанопровода могут использоваться для мониторинга дыхания. Устройство реагирует на влажность выдыхаемого воздуха, генерируя электрический сигнал.
Биоэлектроника открывает перед нами захватывающие перспективы. В будущем, белковые нанонити могут стать основой для создания биосенсоров, работающих от энергии окружающей среды, имплантируемых устройств для мониторинга здоровья и даже биокомпьютеров.
Уникальная способность белков к самосборке и модификации позволяет создавать наноструктуры с заданными свойствами, открывая путь к созданию новых материалов с невиданными ранее возможностями.
Эра живой электроники только начинается, и кто знает, какие удивительные открытия ждут нас впереди!
Могут ли белково-гемовые нанопровода заменить традиционные провода в электронных устройствах?
Пока что это маловероятно. Хотя белковые нанопровода демонстрируют впечатляющую проводимость, они все же уступают традиционным материалам, таким как медь или золото. Однако, благодаря своей биосовместимости и способности к самосборке, они могут найти применение в специфических областях, например, в биомедицинских устройствах или биосенсорах.
Можно ли использовать белковые нанопровода для создания искусственных мышц или других движущихся биомеханических устройств?
Белковые нанопровода обладают прочностью и гибкостью, что делает их потенциально пригодными для создания биомеханических компонентов. Возможно, в будущем ученые смогут разработать белковые наноструктуры, способные к сокращению или изменению формы под действием электрических импульсов.
Каковы экологические аспекты использования белковых нанопроводов?
Ответ: Одним из главных преимуществ белковых нанопроводов является их биоразлагаемость и экологическая безопасность. В отличие от традиционных электронных компонентов, содержащих токсичные металлы, белковые нанонити после использования могут быть разложены микроорганизмами без вреда для окружающей среды.
Могут ли белковые нанопровода использоваться для создания устройств, взаимодействующих с мозгом?
Это одна из самых захватывающих перспектив биоэлектроники. Белковые нанопровода, благодаря своей биосовместимости и способности проводить электрические сигналы, могут стать основой для создания нейроинтерфейсов — устройств, позволяющих напрямую взаимодействовать с нервной системой. Это открывает возможности для лечения неврологических заболеваний, создания продвинутых протезов и даже расширения возможностей человеческого мозга.