Biomoleculaire Elektronika - een Overzicht en Toekomstige Tendensen in Biomoleculaire Elektronika

door Professor Paolo Facci

Professor Paolo CNR-NANO Facci, nanobiolab, Modena, Italië.
Overeenkomstige auteur: p.facci@unimore.it

De Biomoleculaire Elektronika is een tak van nano-wetenschap en technologie die het onderzoek en de technologische exploitatie van de eigenschappen van het elektronenvervoer in speciale klassen van biomoleculen behandelen. Alhoewel behandelt het molecules die kunnen schenken aan of elektronen ontvangen, de biomoleculaire elektronika niets heeft met de moleculaire basissen te doen beslissend de generatie en de propagatie van elektrosignalen in neurale cellen, d.w.z. het actiepotentieel. Dit zeer belangrijke voorbeeld van elektroactiviteiten behorende biologische kwestie, hangt in feite van Ionische stromen af en impliceert goed - bekende interactie tussen eiwitkanalen die hun doordringbaarheid variëren aan ionen in antwoord op bepaalde stimuli en de diëlektrische eigenschappen van het axon membraan zij in worden ingebed.

De Biomoleculaire elektronika, in plaats daarvan, behandelt biomoleculen die elektronen kunnen overbrengen tussen moleculaire partners als resultaat van redoxreacties1. Deze molecules kunnen redox zijn metalloproteins, proteïnen redoxdelen (b.v. bisulfidebanden) dragen of redoxcofactoren die (b.v. op kinone-gebaseerde molecules).

Men gelooft dat ongeveer 25-30% van volledige proteome door metalloproteins wordt samengesteld; daarom vertegenwoordigt het begrip van hun gedrag, misschien op het enige moleculeniveau, een uiterst relevante onderneming. Voorts is de fysiologische functionele activiteit van redox metalloproteins van het shuttling van elektronen tussen redoxpartners geoptimaliseerd door meer dan 4 van de jaren natuurlijke miljarden evolutie en, als dusdanig, vloeit het uiterst efficiënt en verzoekend om te zijn voort om toepassingen.

De wetenschappelijke activiteit op biomoleculaire elektronika dateert terug naar de vroege jaren '90 en door de komst van de microscopen van de aftastensonde, vooral de aftasten een tunnel gravende microscoop teweeggebracht (STM).

Tegenwoordig, is het experimentele hulpmiddel van keus voor het onderzoek van elektronenvervoer in redox metalloproteins op het enige moleculeniveau een evolutie van STM die in een vier-elektrode elektrochemische cel kan worden in werking gesteld: de elektrochemische aftasten een tunnel gravende microscoop (ECSTM)2. Het kenmerkt de mogelijkheid om een tunnel gravende stromen in physiologic-als, zoute oplossing in water door moleculaire adsorbates op atomically vlakke, geleidende substraten te meten. Daarom in strijd met goed - bekend STM, het maakt gebruik van geïsoleerde uiteinden en van een bipotentiostat die het potentieel van het metaalsubstraat en het uiteinde kan onafhankelijk drijven, waarbij faradic stromen worden verhinderd om bij beide werkende elektroden (uiteinde en substraat) plaats te vinden. Het resultaat is een microscoop die spectroscopisch-als beelden van moleculaire adsorbates verstrekt. Een generische opstelling ECSTM wordt afgeschilderd in figuur 1.

Figuur 1. Regeling van een ECSTM. Het bijvoegsel toont een geïsoleerde sonde ECSTM.

Een prototyperedox metalloprotein dat wijd door ECSTM is onderzocht is azurin van Pseudomonas - aeruginosa, een molecule die tot de familie van de blauwe koperproteïnen behoort, zoals zijn intense blauwe kleur openbaart. Dit redox eiwitpendelselektronen tussen proteinaceous partners door de oxydatiestaat van een koperatoom in zijn actieve plaats (Cu⇔Cu) omkeerbaar2+1+ te veranderen. Voorts wordt zijn structuur gekenmerkt door een blootgestelde bisulfidebrug (Cys3-Cys26) die om de molecule op een atomically vlak gouden substraat te verankeren uiterst nuttig blijkt, figuur 2.

Figuur 2. De 3d structuur van azurin van Pseudomonas - aeruginosa. Structurele informatie van VOB- dossier 1E5Y.

Het onderzoek ECSTM van azurin openbaart ten eerste een substraat potentieel afhankelijk contrast in constante huidige beelden3; de verschijning van moleculaire eigenschappen in de beelden vloeit uit de juiste groepering van de Fermi niveaus van substraat en uiteinde voort, zoals die door de bipotentiostatic controle, met betrekking tot de moleculaire redoxniveaus worden bepaald (de „dichtheid van geoxydeerde of verminderde niveaus“). Voorts tonen de studies ECSTM de mogelijkheid om tussen molecules onderscheid te maken, identiek in hun structuur maar dragende verschillende metaalionen in hun actieve plaats (b.v. Cu versus Zn)4. Deze mogelijkheid wordt toegelaten door het radicaal verschillende redoxpotentieel van de twee ionen. Van een toegepast standpunt, kwalificeert het gemelde gedrag azurin als moleculaire elektronische schakelaar en laat elektronische toepassingen in vaste toestand toe5.

De Directe toegang tot het een tunnel graven van stroom laat ook een gedetailleerde analyse van de mechanismen van het elektronenvervoer betrokken bij het fenomeen toe. Uitvoerend een „verandering van perspectief“ men kan azurin op een gouden uiteinde immobiliseren ECSTM, bereikend de voordelen van I) vermijdend die de molecules te volgen op het substraat worden geadsorbeerd; ii) direct metend de een tunnel gravende stroom door te schakelen koppel systeem terug weg, zodra het huidige vastgestelde punt is gevestigd, terwijl vegend uiteindevoltage. In deze omstandigheden, is het mogelijk om gegevens te halen die men toestaan om het vervoer van het mechanisme onderliggende elektron als elektronenoverdracht in twee stappen met gedeeltelijke moleculaire ontspanning nader toe te lichten6. Een dit punt dat het de moeite waard is geweest opmerkend dat de gerealiseerde opstelling vormt één enkele eiwittransistor met een elektrochemische poort7. Het is namelijk fysisch gelijkwaardig aan één enkele deeltjestransistor typisch van nanoelectronics: in de laatstgenoemden wordt gating verstrekt door capacitieve koppeling tussen een (achter) poort en het elektronische niveau van de punt, terwijl, in de eerstgenoemden, er een soort „verspreide die gating“ door de elektrochemische controle van uiteinde en substraatFermi niveaus wordt bewerkstelligd zijn.

De demonstratie van één enkele metalloprotein natte biotransistor, evenals de gelijkaardige bevindingen op andere redoxmolecules8, kunnen de weg aan de exploitatie van het omschakelingsgedrag van geschikte biomoleculen in principe banen voor het uitvoeren van nanoelectronic apparaten die in een nat milieu werken.

In wrok dit een suggestief scenario vormt, is het twijfelachtig of dergelijk soort benadering met nanoelectronics in vaste toestand ooit concurrerend zal zijn. Wij geloven namelijk naar zijn relevantie in toepassingen in een verschillende context zou moeten worden gestreefd. De nieuwigheid van de beschreven bevindingen bevindt zich in zoverre dat zij het concept „elektrisch gecontroleerde biologische reacties“ vestigen. Dit concept omvat niet alleen redoxreacties en is niet beperkt tot redoxproteïnen; eerder, omvat het ook elektrisch-veroorzaakte conformational veranderingen in geladen biomoleculen en breidt zich tot andere soorten proteïnen zoals enzymen, antilichamen, redoxcofactoren uit aangezien zij bij vele diverse biologische fenomenen betrokken zijn. Dit vrij suggestieve perspectief poogt de meest geavanceerde technologie te verzamelen die de Mensheid ooit (Elektronika) met het meest verfijnde organisatieniveau van de kwestie heeft ontwikkeld die de Aard tot dusver heeft veroorzaakt: de biologische kwestie.

Exemplifications van de voornoemde conceptenspanwijdte van modulatie van de bindende affiniteit van antilichamen voor de overeenkomstige antigenen door elektro veroorzaakte conformational veranderingen, in modulatie van het profiel van de genuitdrukking via het stemmen van de bouw van redoxenzymen betrokken bij de controle van genuitdrukking. Elk van deze voorbeelden zijn momenteel voorwerp van intens onderzoek en vertegenwoordigen de meest proming toekomstige tendensen in Biomoleculaire Elektronika.


Verwijzingen

  1. A. Alessandrini, Elektronika van P. Facci de „Metalloprotein“ in CRC Handboek in Nano- en Moleculaire Elektronika ED. S. Lyshevsky, Boca Raton, 14, 1-47, (2007).
  2. Andrea Alessandrini, & Paolo Facci „Stonden Elektrochemisch de Microscopie van de Sonde van het Aftasten bij: een Krachtig Hulpmiddel in Nano (Bio) Wetenschap“ in Biofysische Aspecten van Nanotechnologie, V. Erokhin, M.K. Ram, O. Yavuz Eds., Elsevier, 2007.
  3. P. Facci, D. Alliata, S. Cannistraro „hetVeroorzaakte Resonerende Een Tunnel Graven door een RedoxdieMetalloprotein door de Elektrochemische Microscopie van de Sonde van het Aftasten“ wordt Gesondeerd, Ultramicroscopie, 89(4), 291-298, (2001).
  4. A. wordt Alessandrini, M. Gerunda, G. Canters, M. PH Verbeet, P. Facci „het Een Tunnel Graven van het Elektron door Azurin Bemiddeld door het Actieve Ion van Cu van de Plaats“, Chem. Phys. Lett., 376/56 blz. 625-630, (2003).
  5. R. Rinaldi, A. Biasco, G. Maruccio, R. Cingolani, D. Alliata, L. Andolfi, P. Facci, F. DE Rienzo, R. Di Felice, van E. Molinari „Moleculaire die Gelijkrichter In vaste toestand op zelf-Georganiseerde Metalloproteins“ wordt Gebaseerd, Adv. Mater., 14, 1449-1453, (2002); R. Rinaldi, een Biasco, G. Maruccio, R. Cingolani, D. Alliata, L. Andolfi, P. Facci, F. DE Rienzo, R. Di Felice, E. Molinari, M. Verbeet en G. Canters, „Elektronische rectificatie in eiwitapparaten“, Appl. Phys. Lett., 82, 472 (2003).
  6. A. Alessandrini, S. Corni, P. Facci de „Ontrafelende enige overdracht van het metalloproteinelektron door sondetechnieken“ Phys af te tasten. Chem. Chem. Phys., 8, 4383-4397 (2006).
  7. A. Alessandrini, M. Salerno, S. Frabboni, P. Facci „enig-metalloprotein-Uitgekozen natte biotransistor“ Appl. Phys. Lett., 86, 133902, (2005).
  8. P. Petrangolini, A. Alessandrini, L. Berti, P. Facci een „Elektrochemische het Een Tunnel Graven van het Aftasten studie van de Microscopie van 2 molecules (van het 6-mercaptoalkyl) hydrochinon op Au (111)“, J. Am. Soc. van Chem., 2010, 132, 7445-7453.

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

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

Last Update: 14. June 2013 06:50

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit