Electrónica Biomolecular - Una Reseña y un Futuro Tiende en Electrónica Biomolecular

por Profesor Pablo Facci

Profesor Pablo Facci, nanobiolab, CNR-NANO, Módena, Italia.
Autor Correspondiente: p.facci@unimore.it

La Electrónica Biomolecular es una ramificación de la nano-ciencia y de la tecnología que se ocupan de la investigación y de la explotación tecnológica de las propiedades de transporte del electrón en clases especiales de biomoléculas. No Obstante trata de las moléculas a las cuales puede donar o recibir electrones, electrónica biomolecular no tiene nada hacer con las bases moleculares que gobiernan la generación y la propagación de señales eléctricas en células de los nervios, es decir el potencial de acción. Este ejemplo muy importante de la materia biológica que pertenece de la actividad eléctrica, depende de hecho de corrientes iónicas e implica una interacción bien conocida entre los canales de la proteína que varían su permeabilidad a los iones en respuesta a ciertos estímulos y a las propiedades dieléctricas de la membrana del axón que se embuten hacia adentro.

La electrónica Biomolecular, en lugar, trata de las biomoléculas que pueden transferir electrones entre los socios moleculares como resultado de reacciones redox1. Estas moléculas pueden ser metalloproteins redox, proteínas que soportan las mitades redox (e.g bonos de disulfuro) o cofactores redox (e.g moléculas quinona-basadas).

Se cree que cerca de 25-30% del proteome entero es compuesto por los metalloproteins; por lo tanto la comprensión de su comportamiento, posiblemente en el único nivel de la molécula, representa una empresa extremadamente relevante. Además, la actividad funcional fisiológica de metalloproteins redox de ir y electrones entre los socios redox ha sido optimizada por más de 4 mil millones de la evolución natural y, como tal, él de los años resulta para ser extremadamente efectiva y atrayente para las aplicaciones.

La actividad científica en electrónica biomolecular data del principios de los noventa y ha sido accionada por el advenimiento de los microscopios de la antena de la exploración, especialmente el microscopio el hacer un túnel de la exploración (STM).

Hoy En Día, la herramienta experimental de la opción para la investigación del transporte del electrón en metalloproteins redox en el único nivel de la molécula es una evolución de STM que se puede operatorio en una célula electroquímica del cuatro-electrodo: el microscopio electroquímico el hacer un túnel de la exploración (ECSTM)2. Ofrece la posibilidad de la medición que hace un túnel corrientes hacia adentro fisiológico-como, solución acuosa salada a través de los adsorbatos moleculares en los substratos atómico planos, conductores. Por Lo Tanto, en desacuerdo con STM bien conocido, hace uso de puntas aisladas y de un bipotentiostat que pueda impulsar independientemente el potencial del substrato del metal y de la punta, así previniendo corrientes farádicas para ocurrir en ambos los electrodos de trabajo (punta y substrato). El resultado es un microscopio que proporciona espectroscópico-como imágenes de adsorbatos moleculares. Un ajuste genérico de ECSTM se representa en el cuadro 1.

Cuadro 1. Esquema de un ECSTM. La inserción muestra una antena aislada de ECSTM.

Un metalloprotein redox prototípico que ha sido investigado extensamente por ECSTM es azurin de la Pseudomonas Aeruginosa, una molécula que pertenece a la familia de las proteínas de cobre azules, pues su color azul intenso revela. Esta proteína de los redox va y electrones entre los socios proteicos cambiando reversible el estado de oxidación de un átomo de cobre en su sitio activo (Cu⇔Cu2+1+). Además, su estructura es caracterizada por un puente de disulfuro expuesto (Cys3-Cys26) que resulte ser extremadamente útil para asegurar la molécula en un substrato atómico plano del oro, cuadro 2.

Cuadro 2. La estructura 3d del azurin de la Pseudomonas Aeruginosa. Información Estructural del fichero 1E5Y del PDB.

La investigación de ECSTM del azurin revela en primer lugar un contraste relacionado potencial del substrato en imágenes actuales constantes3; el aspecto de características moleculares en las imágenes resulta de la alineación apropiada de los niveles de Fermi de substrato y de punta, según lo determinado por el mando bipotentiostatic, en cuanto a los niveles redox moleculares (la “densidad de niveles oxidados o reducidos”). Además, los estudios de ECSTM muestran la posibilidad de la distinción entre las moléculas, idéntica en su estructura pero soportar diversos iones del metal en su sitio activo (eg. Cu comparado con el Zn)4. Esta posibilidad es activada por el potencial redox radicalmente diverso de los dos iones. De un punto de vista aplicado, el comportamiento señalado califica azurin como interruptor electrónico molecular y activa aplicaciones electrónicas de estado sólido5.

El Acceso directo a la corriente el hacer un túnel activa también un análisis detallado de los mecanismos de transporte del electrón implicados en el fenómeno. La Ejecución de un “cambio de la perspectiva” una puede inmovilizar azurin en una punta del oro ECSTM, logrando las ventajas de i) que evita para seguir su trayectoria las moléculas adsorbidas en el substrato; ii) midiendo directamente la corriente el hacer un túnel apagando el sistema de votos, una vez que se ha establecido el punto de ajuste actual, mientras que es arrebatador incline el voltaje. Bajo estas condiciones, es posible extraer los datos que permiten que uno aclare el transporte subyacente del electrón del mecanismo como transferencia de dos etapas del electrón con la relajación molecular parcial6. Una esta punta que vale el observar de que el ajuste observado configura un único transistor de la proteína con una entrada electroquímica7. De Hecho, es físicamente equivalente a un único transistor de la partícula típico de nanoelectronics: en estes último el bloquear es proporcionado por el acoplamiento capacitivo entre la entrada (trasera) de a y el nivel electrónico del punto, mientras que, en el anterior, hay una clase de “bloquear difundido” causado por el mando electroquímico de los niveles de Fermi de la punta y del substrato.

La demostración de un biotransistor mojado del único metalloprotein, así como las conclusión similares en otras moléculas redox8, pueden en principio pavimentar la manera a la explotación del comportamiento de la transferencia de las biomoléculas convenientes para ejecutar los dispositivos nanoelectronic operatorios en un ambiente mojado.

En rencor que esto configura un decorado sugestivo, él es cuestionable si tal clase de aproximación será siempre competitiva con nanoelectronics de estado sólido. De Hecho, creemos que su importancia en aplicaciones se debe buscar en un diverso contexto. La novedad de las conclusión descritas se pone de pie en que establecen el concepto “de reacciones biológicas eléctricamente controladas”. Este concepto abarca no sólo reacciones redox y no se limita a las proteínas redox; bastante, incluye cambios conformacionales también eléctrico-inducidos en biomoléculas cargadas y extiende a otras clases de proteínas tales como enzimas, anticuerpos, cofactores redox mientras que están implicados en muchos fenómenos biológicos diversos. Esta perspectiva muy sugestiva apunta recolectar la tecnología más avanzada que la Humanidad ha desarrollado nunca (Electrónica) con el nivel más sofisticado de la organización de la materia que la Naturaleza ha producido hasta ahora: la materia biológica.

Ejemplificaciones del palmo ya mencionado del concepto de la modulación de la afinidad obligatoria de los anticuerpos para los antígenos correspondientes por los cambios conformacionales inducidos eléctricos, a la modulación del perfil de la expresión génica vía la sintonización de la conformación de las enzimas redox implicadas en el mando de la expresión génica. Todos estos ejemplos son actualmente objeto de la investigación intensa y representan las tendencias futuras proming lo más de la Electrónica Biomolecular.


Referencias

  1. A. Alessandrini, Electrónica de P. Facci “Metalloprotein” en Prontuario del CRC en la Electrónica Nana y Molecular Ed. S. Lyshevsky, Boca Raton, 14, 1-47, (2007).
  2. Andrea Alessandrini, y Microscopia Electroquímico Ayudada de la Antena de la Exploración de Pablo Facci “: una Herramienta Potente en (Bio) Ciencia Nana” en Aspectos Biofísicos de la Nanotecnología, V. Erokhin, M.K. Ram, O. Yavuz Eds., Elsevier, 2007.
  3. P. Facci, D. Alliata, S. Cannistraro “Potencial-Indujo Hacer Un Túnel Resonante con un Metalloprotein Redox Sondado por Microscopia Electroquímica de la Antena de la Exploración”, la Ultramicroscopía, 89(4), 291-298, (2001).
  4. A. Alessandrini, M. Gerunda, G. Canters, M. Ph. Verbeet, P. Facci “Electrón Que Hace Un Túnel con Azurin Es Mediado por el Ión Activo del Cu del Sitio”, Chem. Phys. Lett., 376/5-6 Págs. 625-630, (2003).
  5. R. Rinaldi, A. Biasco, G. Maruccio, R. Cingolani, D. Alliata, L. Andolfi, P. Facci, F. De Rienzo, R. Di Felice, E. Molinari “Rectificador Molecular De estado sólido Basado en Metalloproteins Uno mismo-Ordenado”, Adv. Mater., 14, 1449-1453, (2002); R. Rinaldi, Un Biasco, G. Maruccio, R. Cingolani, D. Alliata, L. Andolfi, P. Facci, F. De Rienzo, R. Di Felice, E. Molinari, M. Verbeet y G. Canters, “rectificación Electrónica en dispositivos de la proteína”, Appl. Phys. Lett., 82, 472 (2003).
  6. A. Alessandrini, S. Corni, P. Facci “que Desenreda única transferencia del electrón del metalloprotein explorando las técnicas” Phys de la antena. Quím. Chem. Phys., 8, 4383-4397 (2006).
  7. A. Alessandrini, M. Salerno, S. Frabboni, P. Facci “Único-metalloprotein biotransistor mojado” Appl. Phys. Lett., 86, 133902, (2005).
  8. P. Petrangolini, A. Alessandrini, L. Berti, P. Facci “Un estudio Electroquímico de la Microscopia el Hacer Un Túnel de la Exploración de 2 moléculas de la hidroquinona (6-mercaptoalkyl) en el Au (111)”, J. Am. Quím. Soc., 2010, 132, 7445-7453.

Derechos De Autor AZoNanoo.com, Profesor Pablo Facci (CNR-NANO)

Date Added: Jan 31, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 07:20

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