Электронный нос, созданный из микробных нанопроводов, полученных из экологически чистых источников, может совершить революцию в мониторинге здоровья

Чтобы совершить эти прорывы, которые были подробно описаны в журнале Биосенсоры и биоэлектрикаСтаршим авторам Дереку Ловли, заслуженному профессору микробиологии Массачусетского университета в Амхерсте, и Цзюнь Яо, профессору электротехники и компьютерной инженерии Инженерного колледжа Массачусетского университета в Амхерсте, не нужно было смотреть дальше, чем собственный нос. «Человеческий нос имеет сотни рецепторов, каждый из которых чувствителен к одной конкретной молекуле», — говорит Яо. «Они гораздо более чувствительны и эффективны, чем любое механическое или химическое устройство, которое можно было бы создать. Мы задавались вопросом, как мы можем использовать сам биологический дизайн, а не полагаться на синтетический материал».

Другими словами, команда задавалась вопросом, смогут ли они работать с природой, чтобы выявлять болезни – и оказалось, что они сделали именно это.

Ответ начинается с бактерии, известной как Геобактер серыредуценс, который Ловли и Яо ранее использовали для создания биопленки, способной длительное время непрерывно производить электричество из вашего пота. Г. сераредуценсобладает удивительной природной способностью выращивать крошечные электропроводящие нанопровода.

Но Г. сераредуценс — это привередливая бактерия, для роста которой необходимы особые условия, что затрудняет ее масштабное использование. «Что мы сделали, — говорит Ловли, — так это извлекли «ген нанопроволоки», называемый пилином, из Г. сераредуценс и встроить его в ДНК кишечная палочка, одна из самых распространенных бактерий в мире».

После удаления гена пилина из Г. сераредуценсЛовли, Яо и их команда модифицировали его, включив в него специфический пептид, известный как DLESFL, который чрезвычайно чувствителен к аммиаку — химическому веществу, часто присутствующему в дыхании людей с заболеваниями почек. Когда они затем соединили модифицированный ген пилина с кишечная палочкаДНК генетически модифицированной бактерии проросла крошечными нанопроводами, ощетинившимися пептидом, чувствительным к аммиаку. Затем команда собрала эти чувствительные к аммиаку нанопроволоки и встроила из них датчик.

«Генетическая модификация нанопроводов сделала их в 100 раз более чувствительными к аммиаку, чем они были изначально», — говорит Ясир Лекбах, соавтор статьи и постдокторант микробиологии в Массачусетском университете в Амхерсте. «Нанопроволоки, произведенные микробами, функционируют гораздо лучше в качестве датчиков, чем ранее описанные датчики, изготовленные из традиционных кремниевых или металлических нанопроволок».

И нет необходимости ограничивать эти новые датчики только аммиаком и заболеваниями почек. Тосиюки Уэки, другой соавтор статьи и профессор микробиологии Массачусетского университета в Амхерсте, говорит, что «можно создать уникальные пептиды, каждый из которых специфически связывает интересующую молекулу. тела и которые специфичны для конкретного заболевания, мы можем создавать датчики, включающие в себя сотни различных химических нанопроводов, которые будут отслеживать все виды состояний здоровья».

Новая парадигма электротехники

Традиционные нанопровода, изготовленные из кремния или углеродного волокна, могут быть высокотоксичными (углеродные нанотрубки сами по себе являются канцерогенами) и в конечном итоге превращаться в небиоразлагаемые электронные отходы. Их сырье может потребовать огромного количества энергии и химических веществ для сбора и переработки, а также оказывать глубокое воздействие на окружающую среду. Но поскольку нанопровода Ловли и Яо выращиваются из обычных бактерий, они гораздо более устойчивы.

«Одна из самых интересных вещей в этом направлении исследований, — говорит Яо, — заключается в том, что мы ведем электротехнику в принципиально новом направлении. Вместо проводов, изготовленных из дефицитного сырья, которое не разлагается биологически, Прелесть этих белковых нанопроволок в том, что вы можете использовать генетический замысел жизни для создания стабильной, универсальной, малозатратной и экономически эффективной платформы».

Это исследование было поддержано Национальным научным фондом и поддержано Институтом прикладных наук о жизни (IALS) Массачусетского университета в Амхерсте, который объединяет глубокий междисциплинарный опыт 29 факультетов для преобразования фундаментальных исследований в инновации, которые приносят пользу здоровью и благополучию человека.