Биомолекулярная Электроника - Обзор и Будущее Отклоняют в Биомолекулярной Электронике

Профессором Paolo Facci

Профессор Paolo Facci, nanobiolab, CNR-NANO, Модена, Италия.
Соответствуя автор: p.facci@unimore.it

Биомолекулярная Электроника ветвь nano-науки и технологии общаясь с исследованием и технологическим эксплуатированием свойств перехода электрона в специальных типах биомолекул. Albeit она общается с молекулами которым смогите подарить к или получить электроны, биомолекулярная электроника не имеет ничего сделать при молекулярные основания управляя поколением и распространением электрических сигналов в нервных клетках, т.е. потенциалом действия. Этот очень важный пример дела электрической деятельности pertaining биологического, зависит в действительности на ионных течениях и включает известное взаимодействие между каналами протеина меняя их проницаемость к ионам в ответ на некоторые стимулы и диэлектрическим свойствам мембраны аксона они врезаны внутри.

Биомолекулярная электроника, вместо, общается с биомолекулами которые могл перенести электроны между молекулярными соучастниками в результате реакций редоксов1. Эти молекулы могут быть metalloproteins редоксов, протеинами нося moieties редоксов (например скрепления дисульфида) или сомножители редоксов (например хинон-основанные молекулы).

Поверено что около 25-30% из всего proteome составлено metalloproteins; поэтому понимать их поведение, по возможности на одиночном уровне молекулы, представляет весьма уместное предпринимательство. Furthermore, физиологопсихологическая функциональная работа metalloproteins редоксов двигать электроны взад и вперед между соучастниками редоксов была оптимизирована больше чем 4 миллиардыами развития и, как таковой, его лет естественного приводит к для того чтобы быть весьма эффективна и апеллирующ для применений.

Научная работа на биомолекулярной электронике датирует назад к предыдущим девяностым годам и была вызвана пришествием микроскопов зонда скеннирования, специально микроскопом прокладывать тоннель скеннирования (STM).

В Наше Время, экспириментально инструмент выбора для исследования перехода электрона в metalloproteins редоксов на одиночном уровне молекулы развитие STM которое можно эксплуатировать в клетке 4-электрода электрохимической: электрохимический микроскоп прокладывать тоннель скеннирования (ECSTM)2. Оно отличает возможностью измерять прокладывая тоннель течения внутри физиологопсихологическ-как, солёный водный раствор через молекулярные адсорбаты на атомно плоских, проводных субстратах. Поэтому, в разногласии с известный STM, оно использует изолированные подсказки и bipotentiostat которое может управлять независимо потенциалом субстрата металла и подсказки, таким образом предотвращающ фарадические течения для того чтобы осуществить на обоих работая электроды (подсказка и субстрат). Результат микроскоп который обеспечивает спектроскопическ-как изображения молекулярных адсорбатов. Родовое настроение ECSTM показано в диаграмме 1.

Диаграмма 1. Схема ECSTM. Inset показывает изолированный зонд ECSTM.

Prototypical metalloprotein редоксов которое широко было расследовано ECSTM azurin от Псевдомонасов - aeruginosa, молекула принадлежа к семейству голубых медных протеинов, по мере того как свой интенсивный голубой цвет показывает. Этот протеин редоксов двигает электроны взад и вперед между proteinaceous соучастниками путем изменять реверзибельн положение оксидации медного атома в своем активном месте (Cu⇔Cu2+1+). Furthermore, своя структура охарактеризована, котор подвергли действию мостом дисульфида (Cys3-Cys26) который поворачивает вне для того чтобы быть весьма полезн для ставить молекулу на якорь на атомно плоском субстрате золота, диаграммой 2.

Диаграмма 2. Структура 3d azurin от Псевдомонасов - aeruginosa. Структурная информация от архива 1E5Y PDB.

Исследование ECSTM azurin показывает во первых контраст субстрата потенциальный зависимый в постоянн настоящих изображениях3; возникновение молекулярных характеристик в изображениях приводит к от правильного выравнивания уровней Ферми субстрата и подсказки, как определено bipotentiostatic управлением, по отношению к молекулярным уровням редоксов («плотности окисленных или уменьшенных уровней»). Furthermore, изучения ECSTM показывают возможность различать между молекулами, идентичную в их структуре но носить различные ионы металла в их активном месте (например Cu против Zn)4. Эта возможность позволена радикальным образом различным потенциалом редоксов 2 ионов. От прикладной точки зрения, сообщенное поведение квалифицирует azurin как молекулярный электронный переключатель и включает полупроводниковые электронные применения5.

Сразу доступ к течению прокладывать тоннель включает также детальный анализ механизмов перехода электрона, котор включили в явление. Снабжать «изменение перспективы» одного может лишить подвижности azurin на подсказке золота ECSTM, достигая преимуществ I) во избежание для того чтобы отслеживать молекулы адсорбированные на субстрате; ii) измеряя сразу течение прокладывать тоннель путем переключать систему с обратной связью, как только настоящая точка отсчета была установлена, пока широко наклоните напряжение тока. В таких режимах, возможно извлечь данные которые позволяют одному разъяснить переход электрона механизма основной как 2 - обмен электрона шага с частично молекулярной релаксацией6. Этот пункт стоимость замечая что осуществлянное настроение устанавливает одиночный транзистор протеина с электрохимическим стробом7. Деиствительно, оно физически соответствующ к одиночному транзистору частицы типичному nanoelectronics: в latter стробировать предусмотрен конденсаторной связью между стробом a (задним) и электронным уровнем многоточия, тогда как, в бывшем, вид «отраженный стробировать» принесенный около электрохимическим управлением уровней Ферми подсказки и субстрата.

Демонстрация biotransistor одиночного metalloprotein влажного, так же, как подобные заключения на других молекулах редоксов8, могут в принципе вымостить путь к эксплуатированию поведения переключения соответствующих биомолекул для снабжать nanoelectronic приборы работая в влажной окружающей среде.

В злобности это устанавливает вызывающий мысли сценарий, его спорна будет ли такой вид подхода всегда конкурсн с полупроводниковым nanoelectronics. Деиствительно, мы верим что своя релевантность в применениях должна быть изыскана в различном контексте. Новизна описанных заключений стоит в что они устанавливают принципиальную схему «электрически контролируемых биологических реакций». Эта принципиальная схема включает не только реакции редоксов и не ограничена к протеинам редоксов; довольно, она включает также электрическ-наведенные conformational изменения в порученных биомолекулах и удлиняет к другим видам протеинов как энзимы, антитела, сомножители редоксов по мере того как они включаются в много разнообразных биологических явлений. Эта довольно вызывающая мысли перспектива направляет собрать большинств передовую технологию которую Человечество всегда начинало (Электроника) с самым изощренным уровнем организации дела которое Природа до тех пор производила: биологическое дело.

Exemplifications вышесказанной пяди принципиальной схемы от модуляции binding сродства антител для соответствуя антигенов электрическими наведенными conformational изменениями, к модуляции профиля выражения гена через настраивать конформацию энзимов редоксов, котор включили в управление выражения гена. Весь из этих примеров в настоящее время предмет интенсивного исследования и представляют proming будущие тенденции в Биомолекулярной Электронике.


Справки

  1. A. Alessandrini, Электроника P. Facci «Metalloprotein» в Руководстве CRC в Nano и Молекулярной Электронике Ed. S. Lyshevsky, Бока-Ратон, 14, 1-47, (2007).
  2. Андреа Alessandrini, & Микроскопия Зонда Скеннирования Paolo Facci «Электрохимически Помогать: Мощный Инструмент в Nano (Био) Науке» в Биофизических Аспектах Нанотехнологии, V. Erokhin, M.K. Штосселя, O. Yavuz Eds., Elsevier, 2007.
  3. P. Facci, D. Alliata, S. Cannistraro «Потенциал-Навело Резонирующий Прокладывать Тоннель до Редокс Metalloprotein, котор Зондирует Электрохимическая Микроскопия Зонда Скеннирования», Ultramicroscopy, 89(4), 291-298, (2001).
  4. A. Alessandrini, M. Gerunda, G. Скакать Галопом, PH. Verbeet M., P. Facci «Электрон Прокладывая Тоннель через Azurin Посредничано Активным Ионом Cu Места», 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 «Полупроводниковый Молекулярный Выпрямитель Тока Основанный на Собственн-Организованном Metalloproteins», Adv. Mater., 14, 1449-1453, (2002); R. Rinaldi, Biasco, G. Maruccio, R. Cingolani, D. Alliata, L. Andolfi, P. Facci, F. De Rienzo, R. Di Felice, E. Molinari, M. Verbeet и G. Скакать Галопом, «Электронное выпрямление в приборах протеина», Appl. Phys. Lett., 82, 472 (2003).
  6. A. Alessandrini, S. Corni, P. Facci «Unraveling одиночный обмен электрона metalloprotein путем просматривать методы» Phys зонда. Chem. Chem. Phys., 8, 4383-4397 (2006).
  7. A. Alessandrini, M. Salerno, S. Frabboni, P. Facci «Одиночное-metalloprotein влажное biotransistor» Appl. Phys. Lett., 86, 133902, (2005).
  8. P. Petrangolini, A. Alessandrini, L. Berti, P. Facci «Электрохимическое изучение Микроскопии Прокладывать Тоннель Скеннирования 2 молекул гидрохинона (6-mercaptoalkyl) на Au (111)», J. Am. Chem. SOC., 2010, 132, 7445-7453.

Авторское Право AZoNanoo.com, Профессор Paolo Facci (CNR-NANO)

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

Last Update: 14. June 2013 07:17

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