Elettronica Biomolecolare - Una Generalità e un Futuro Tendenza all'Elettronica Biomolecolare

dal Professor Paolo Facci

Il Professor Paolo Facci, nanobiolab, CNR-NANO, Modena, Italia.
Autore Corrispondente: p.facci@unimore.it

L'Elettronica Biomolecolare è una filiale di nano-scienza e della tecnologia che si occupano della ricerca e dello sfruttamento tecnologico dei beni di trasporto dell'elettrone nelle classi speciali di biomolecole. Anche Se si occupa delle molecole a cui può donare o ricevere gli elettroni, elettronica biomolecolare ha niente a che fare con le basi molecolari che governano la generazione e la propagazione di segnali elettrici in celle neurali, cioè il potenziale d'azione. Questo esempio molto importante della materia biologica riguardante di attività elettrica, dipende in effetti dalle correnti ioniche e comprende un'interazione ben nota fra i canali della proteina che variano la loro permeabilità agli ioni in risposta a determinati stimoli ed ai beni dielettrici della membrana che dell'assone sono incassate dentro.

L'elettronica Biomolecolare, invece, si occupa delle biomolecole che possono trasferire gli elettroni fra i partner molecolari come conseguenza delle reazioni redox1. Queste molecole possono essere metalloproteins redox, proteine che sopportano le parti redox (per esempio legami bisolfurico) o cofattori redox (per esempio a molecole basate a chinone).

È creduto che circa 25-30% di intero proteome sia composto dai metalloproteins; quindi capire il loro comportamento, possibilmente al singolo livello della molecola, rappresenta un'impresa estremamente competente. Ancora, l'attività funzionale fisiologica dei metalloproteins redox di muovere gli elettroni avanti e indietro fra i partner redox è stata ottimizzata da più di 4 miliardi di evoluzione naturale e, come tale, di anni risulta per essere estremamente efficace e facente appello per le applicazioni.

L'attività scientifica su elettronica biomolecolare data dal primi anni Novanta ed è stata avviata dall'arrivo dei microscopi della sonda di scansione, particolarmente il microscopio di traforo di scansione (STM).

Al Giorno D'oggi, lo strumento sperimentale della scelta per l'indagine sul trasporto dell'elettrone nei metalloproteins redox al singolo livello della molecola è un'evoluzione di STM che può essere gestita in una cella elettrochimica dell'quattro-elettrodo: il microscopio elettrochimico di traforo di scansione (ECSTM)2. Caratterizza la possibilità di misurazione che scava una galleria le correnti nella soluzione acquosa del tipo di fisiologica e salata attraverso gli adsorbati molecolari sui substrati atomico piani e conduttivi. Di Conseguenza, in disaccordo con STM ben noto, usa i suggerimenti isolati e di un bipotentiostat che può determinare indipendente il potenziale del substrato del metallo e del suggerimento, così impedendo le correnti faradiche per avere luogo ad entrambi elettrodi funzionanti (suggerimento e substrato). Il risultato è un microscopio che fornisce le immagini del tipo di spettroscopica degli adsorbati molecolari. Un'impostazione generica di ECSTM è descritta nella figura 1.

Figura 1. Schema di un ECSTM. L'inserzione mostra una sonda isolata di ECSTM.

Un metalloprotein redox prototipo che ampiamente è stato studiato da ECSTM è azurin da Pseudomonas Aeruginosa, una molecola che appartiene alla famiglia delle proteine di rame blu, poichè il suo colore blu intenso rivela. Questa proteina di redox muove gli elettroni avanti e indietro fra i partner proteinici cambiando reversibilmente lo stato di ossidazione di un atomo di rame nel suo sito attivo (Cu⇔Cu2+1+). Ancora, la sua struttura è caratterizzata da un ponte di bisolfuro esposto (Cys3-Cys26) che risulta essere estremamente utile per l'ancoraggio della molecola su un substrato atomico piano dell'oro, figura 2.

Figura 2. La struttura 3d del azurin da Pseudomonas Aeruginosa. Informazioni Strutturali dal file 1E5Y di PDB.

L'indagine di ECSTM sul azurin rivela in primo luogo un contrasto dipendente potenziale del substrato nelle immagini correnti costanti3; l'aspetto delle funzionalità molecolari nelle immagini deriva dall'allineamento adeguato dei livelli di Fermi di substrato e di suggerimento, come determinato tramite il controllo bipotentiostatic, riguardo ai livelli redox molecolari (“la densità dei livelli ossidati o diminuiti„). Ancora, gli studi di ECSTM mostrano la possibilità di distinzione fra le molecole, identica nella loro struttura ma nel sopportare gli ioni differenti del metallo nel loro sito attivo (per esempio Cu contro Zn)4. Questa possibilità è permessa a dal potenziale ossidoriduttivo radicalmente differente dei due ioni. Da un punto di vista applicato, il comportamento riferito qualifica il azurin come opzione elettronica molecolare e permette alle applicazioni elettroniche semi condutrici5.

L'Accesso diretto alla corrente di traforo permette egualmente ad un'analisi dettagliata dei meccanismi di trasporto dell'elettrone in questione nel fenomeno. Applicare “un cambiamento della prospettiva„ una può vincolare il azurin su un suggerimento dell'oro ECSTM, raggiungente i vantaggi i) che evitano di tenere la carreggiata delle molecole adsorbite sul substrato; ii) misurando direttamente la corrente di traforo spengendo il sistema di feedback, il del punto vincente corrente è stato stabilito una volta, mentre ampio fornisce di punta la tensione. In queste circostanze, è possibile estrarre i dati che permettono che si delucidi il trasporto di fondo dell'elettrone del meccanismo come trasferimento di elettroni in due tappe con rilassamento molecolare parziale6. Un questo punto che vale la pena di notare che l'impostazione realizzata configura un singolo transistor della proteina con un portone elettrochimico7. Effettivamente, è fisicamente equivalente ad un singolo transistor della particella tipico del nanoelectronics: negli ultimi gating è fornito dall'accoppiamento capacitivo fra il portone (arretrato) di a ed il livello elettronico del punto, mentre, nel precedente, c'è una specie di “gating diffuso„ determinato tramite il controllo elettrochimico dei livelli di Fermi del substrato e del suggerimento.

La dimostrazione di un biotransistor bagnato del singolo metalloprotein come pure i simili risultati su altre molecole redox8, possono in linea di principio aprire la strada allo sfruttamento del comportamento di commutazione delle biomolecole adatte per applicare le unità nanoelectronic che funzionano in un ambiente bagnato.

Nel dispetto che questo configura uno scenario indicativo, è lecito chiedersi se tale genere di approccio sia mai non Xerox con il nanoelectronics semi conduttore. Effettivamente, crediamo che la sua pertinenza nelle applicazioni dovrebbe essere cercata in un contesto differente. La novità dei risultati descritti sta in quanto stabiliscono il concetto “delle reazioni biologiche elettricamente controllate„. Questo concetto comprende non solo le reazioni redox e non è limitato alle proteine redox; piuttosto, comprende egualmente dai i cambiamenti conformazionali indotti da elettrica in biomolecole fatte pagare ed estendere ad altri generi di proteine quali gli enzimi, gli anticorpi, cofattori redox mentre sono compresi in molti diversi fenomeni biologici. Questa prospettiva abbastanza indicativa mira a riunire la maggior parte della tecnologia avanzata che l'Umanità ha sviluppato mai (Elettronica) con il livello dell'organizzazione più specializzato della materia che la Natura finora ha prodotto: la materia biologica.

Exemplifications della portata suddetta di concetto da modulazione dell'affinità obbligatoria degli anticorpi per gli antigeni corrispondenti dai cambiamenti conformazionali indotti elettrici, a modulazione del profilo di espressione genica via la sintonizzazione della conformazione degli enzimi redox in questione nel controllo di espressione genica. Tutti questi esempi sono corrente oggetto di ricerca intensa e rappresentano le tendenze relative future proming all'Elettronica Biomolecolare.


Riferimenti

  1. A. Alessandrini, Elettronica di P. Facci “Metalloprotein„ in Manuale di CRC nell'Elettronica Nana e Molecolare Ed. S. Lyshevsky, Boca Raton, 14, 1-47, (2007).
  2. Andrea Alessandrini, & Microscopia Elettrochimicamente Assistita della Sonda di Scansione di Paolo Facci “: uno Strumento Potente (nella Bio-) Scienza Nana„ negli Aspetti Biofisici di Nanotecnologia, V. Erokhin, M.K. Ram, O. Yavuz Eds., Elsevier, 2007.
  3. P. Facci, D. Alliata, S. Cannistraro “da Traforo Sonoro Indotto da potenziale con un Metalloprotein Redox Sondato da Microscopia Elettrochimica della Sonda di Scansione„, Ultramicroscopia, 89(4), 291-298, (2001).
  4. A. Alessandrini, M. Gerunda, G. Canters, M. Ph. Verbeet, P. Facci “Elettrone che Scava Una Galleria con Azurin È Mediato dallo Ione Attivo del Cu del Sito„, Chem. Phys. Lett., 376/5-6 Pp. 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 “Raddrizzatore Molecolare Semi conduttore Basato su Metalloproteins Auto-Organizzato„, 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 e G. Canters, “rettifica Elettronica in unità della proteina„, Appl. Phys. Lett., 82, 472 (2003).
  6. A. Alessandrini, S. Corni, P. Facci “singolo trasferimento di elettroni Disfacente del metalloprotein scandendo le tecniche„ Phys della sonda. Chim. Chem. Phys., 8, 4383-4397 (2006).
  7. A. Alessandrini, M. Salerno, S. Frabboni, P. Facci “biotransistor bagnato Unico-metalloprotein„ Appl. Phys. Lett., 86, 133902, (2005).
  8. P. Petrangolini, A. Alessandrini, L. Berti, P. Facci “Uno studio Elettrochimico di Microscopia di Traforo di Scansione di 2 molecole dell'idrochinone (6-mercaptoalkyl) su Au (111)„, J. Am. Soc di Chim., 2010, 132, 7445-7453.

Copyright AZoNanoo.com, il Professor Paolo Facci (CNR-NANO)

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

Last Update: 14. June 2013 06:59

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