Eletrônica Biomolecular - Uma Vista Geral e um Futuro Tendem na Eletrônica Biomolecular

pelo Professor Paolo Facci

Professor Paolo Facci, nanobiolab, CNR-NANO, Modena, Itália.
Autor Correspondente: p.facci@unimore.it

A Eletrônica Biomolecular é um ramo da nano-ciência e da tecnologia que tratam a investigação e a exploração tecnologico de propriedades de transporte do elétron em classes especiais de biomoléculas. Embora trata as moléculas a que pode doar ou receber elétrons, eletrônica biomolecular não não tem nada fazer com as bases moleculars que ordenam a geração e a propagação de sinais elétricos em pilhas neurais, isto é o potencial de acção. Este exemplo muito importante da matéria biológica pertencendo da actividade elétrica, depende de facto das correntes iónicas e envolve uma interacção conhecida entre os canais da proteína que variam sua permeabilidade aos íons em resposta a determinados estímulos e às propriedades dieléctricas da membrana que do axónio são encaixados dentro.

A eletrônica Biomolecular, em lugar de, trata as biomoléculas que podem transferir elétrons entre sócios moleculars em conseqüência das reacções dos redox1. Estas moléculas podem ser metalloproteins dos redox, proteínas que carregam partes dos redox (por exemplo ligações de bissulfeto) ou cofactor dos redox (por exemplo moléculas quinona-baseadas).

Acredita-se que aproximadamente 25-30% do proteome inteiro estão compor por metalloproteins; conseqüentemente compreender seu comportamento, possivelmente a único nível da molécula, representa uma empresa extremamente relevante. Além Disso, a actividade funcional fisiológico de metalloproteins dos redox de shuttling elétrons entre sócios dos redox foi aperfeiçoada por mais de 4 biliões da evolução natural e, como tal, ele dos anos resulta para ser extremamente eficaz e apelando para aplicações.

A actividade científica na eletrônica biomolecular data dos anos noventa adiantados e foi provocada pelo advento de microscópios da ponta de prova da exploração, especialmente o microscópio da escavação de um túnel da exploração (STM).

Hoje Em Dia, a ferramenta experimental da escolha para a investigação do transporte do elétron em metalloproteins dos redox a único nível da molécula é uma evolução de STM que possa ser operada em uma pilha electroquímica do quatro-eléctrodo: o microscópio eletroquímico da escavação de um túnel da exploração (ECSTM)2. Caracteriza a possibilidade de medição que escava um túnel correntes dentro fisiológico-como, solução aquosa salgado através dos adsorbates moleculars em carcaças atômica lisas, condutoras. Conseqüentemente, em desacordo com STM conhecido, utiliza pontas isoladas e de um bipotentiostat que possa conduzir independente o potencial da carcaça do metal e da ponta, assim impedindo correntes farádicas para ocorrer em ambos os eléctrodos de trabalho (ponta e carcaça). O resultado é um microscópio que forneça espectroscópica-como imagens de adsorbates moleculars. Uma instalação genérica de ECSTM é descrita em figura 1.

Figura 1. Esquema de um ECSTM. Inserir mostra uma ponta de prova isolada de ECSTM.

Um metalloprotein prototípico dos redox que seja investigado extensamente por ECSTM é azurin dos Pseudomonas - aeruginosa, uma molécula que pertence à família das proteínas de cobre azuis, porque sua cor azul intensa revela. Esta proteína dos redox shuttles elétrons entre sócios proteinaceous mudando reversìvel o estado de oxidação de um átomo de cobre em seu local activo (Cu⇔Cu2+1+). Além Disso, sua estrutura é caracterizada por uma ponte de bissulfeto expor (Cys3-Cys26) que despeje ser extremamente útil para ancorar a molécula em uma carcaça atômica lisa do ouro, figura 2.

Figura 2. A estrutura 3d do azurin dos Pseudomonas - aeruginosa. Informação Estrutural da lima 1E5Y do PDB.

A investigação de ECSTM do azurin revela em primeiro lugar um contraste dependente potencial da carcaça em imagens actuais constantes3; a aparência de características moleculars nas imagens resulta do alinhamento apropriado dos níveis de Fermi de carcaça e de ponta, como determinado pelo controle bipotentiostatic, no que diz respeito aos níveis moleculars dos redox (a “densidade de níveis oxidados ou reduzidos”). Além Disso, os estudos de ECSTM mostram a possibilidade de distinção entre moléculas, idêntica em sua estrutura mas em carregar íons diferentes do metal em seu local activo (por exemplo Cu contra o Zn)4. Esta possibilidade é permitida pelo potencial de redox radicalmente diferente dos dois íons. De um ponto de vista aplicado, o comportamento relatado qualifica o azurin como um interruptor eletrônico molecular e permite aplicações eletrônicas de circuito integrado5.

De acesso directo à corrente da escavação de um túnel permite igualmente uma análise detalhada dos mecanismos de transporte do elétron envolvidos no fenômeno. Executar uma “mudança da perspectiva” uma pode imobilizar o azurin em uma ponta do ouro ECSTM, conseguindo as vantagens i) que evitam para seguir das moléculas fixadas na carcaça; ii) que medem directamente a corrente da escavação de um túnel desligando o sistema de feedback, uma vez que o ponto ajustado actual estêve estabelecido, quando arrebatador derrube a tensão. Sob estas condições, é possível extrair os dados que permitem que se explique o transporte subjacente do elétron do mecanismo como transferência do elétron do pas-de-deux com abrandamento molecular parcial6. Este ponto que vale notando que a instalação realizada configura um único transistor da proteína com uma porta electroquímica7. Certamente, é fisicamente equivalente a um único transistor da partícula típico do nanoelectronics: nos últimos bloquear é fornecido pelo acoplamento capacitivo entre a porta (traseira) da e o nível eletrônico do ponto, visto que, no anterior, há meio “bloquear difundido” causado pelo controle eletroquímico de níveis de Fermi da ponta e da carcaça.

A demonstração de um biotransistor molhado do único metalloprotein, assim como os resultados similares em outras moléculas dos redox8, podem em princípio pavimentar a maneira à exploração do comportamento do interruptor de biomoléculas apropriadas para executar os dispositivos nanoelectronic que operam-se em um ambiente molhado.

No despeito que isto configura uma encenação sugestivo, ele é duvidoso se tal tipo da aproximação será sempre competitivo com nanoelectronics de circuito integrado. Certamente, nós acreditamos que sua importância nas aplicações deve ser procurada em um contexto diferente. A novidade dos resultados descritos está que estabelecem o conceito “de reacções biológicas electricamente controladas”. Este conceito abrange não somente reacções dos redox e não é limitado às proteínas dos redox; um pouco, inclui mudanças conformational igualmente elétrico-induzidas em biomoléculas cobradas e estende-as a outros tipos das proteínas tais como enzimas, anticorpos, cofactor dos redox enquanto são envolvidas em muitos fenômenos biológicos diversos. Esta perspectiva bastante sugestivo aponta recolher a tecnologia a mais avançada que a Humanidade desenvolveu nunca (Eletrônica) com o nível o mais sofisticado da organização da matéria que a Natureza tem produzido até agora: a matéria biológica.

Exemplifications do período acima mencionado do conceito da modulação da afinidade obrigatória dos anticorpos para os antígenos correspondentes por mudanças conformational induzidas elétricas, à modulação do perfil da expressão genética através de ajustar a conformação das enzimas dos redox envolvidas no controle da expressão genética. Todos estes exemplos são actualmente objeto da investigação intensa e representam as tendências futuras proming na Eletrônica Biomolecular.


Referências

  1. A. Alessandrini, Eletrônica de P. Facci “Metalloprotein” no Manual do CENTRO DE DETECÇÃO E DE CONTROLO na Eletrônica Nano e Molecular Ed. S. Lyshevsky, Boca Raton, 14, 1-47, (2007).
  2. Andrea Alessandrini, & Microscopia Eletroquìmica Ajudada da Ponta De Prova da Exploração de Paolo Facci “: uma Ferramenta Poderosa (na Bio) Ciência Nano” em Aspectos Biofísicos da Nanotecnologia, V. Erokhin, M.K. Ram, O. Yavuz Eds., Elsevier, 2007.
  3. P. Facci, D. Alliata, S. Cannistraro “Potencial-Induziu a Escavação De Um Túnel Ressonante com um Redox Metalloprotein Sondado pela Microscopia Electroquímica da Ponta De Prova da Exploração”, o Ultramicroscopy, 89(4), 291-298, (2001).
  4. A. Alessandrini, M. Gerunda, G. Canters, M. PH. Verbeet, P. Facci “Elétron que Escava Um Túnel com Azurin É Negociado pelo Íon Activo do Cu do Local”, 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 “Retificador Molecular De circuito integrado Baseado em Metalloproteins Auto-Organizado”, Adv. Mater., 14, 1449-1453, (2002); R. Rinaldi, Um Biasco, G. Maruccio, R. Cingolani, D. Alliata, L. Andolfi, P. Facci, F. De Rienzo, R. Di Felice, E. Molinari, M. Verbeet e G. Canters, “correcção Eletrônica em dispositivos da proteína”, Appl. Phys. Lett., 82, 472 (2003).
  6. A. Alessandrini, S. Corni, P. Facci “que Desembaraça única transferência do elétron do metalloprotein fazendo a varredura técnicas” Phys da ponta de prova. Chem. Chem. Phys., 8, 4383-4397 (2006).
  7. A. Alessandrini, M. Salerno, S. Frabboni, P. Facci “Único-metalloprotein biotransistor molhado” Appl. Phys. Lett., 86, 133902, (2005).
  8. P. Petrangolini, A. Alessandrini, L. Berti, P. Facci “Um estudo Eletroquímico da Microscopia da Escavação De Um Túnel da Exploração de 2 moléculas da hidroquinona (6-mercaptoalkyl) no Au (111)”, J. Ser. Chem. Soc., 2010, 132, 7445-7453.

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

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

Last Update: 14. June 2013 07:14

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