Biomolecular Elektronik - En Överblick och FramtidsTrender i Biomolecular Elektronik

vid Professorn Paolo Facci

Professor Paolo Facci, nanobiolab, CNR-NANO, Modena, Italien.
Motsvarande författare: p.facci@unimore.it

Biomolecular Elektronik är en förgrena sig av nano-vetenskap, och teknologi som handlar med utredningen och den teknologiska exploateringen av elektrontransportrekvisita i sakkunnig, klassificerar av biomolecules. Albeit handlar den med molekylar, som kan donera eller motta till elektroner, biomolecular elektronik har ingenting att göra med de molekylära baserna som härskar utvecklingen, och förökningen av elektriskt signalerar i neural celler, dvs. den potentiella handlingen. Detta mycket viktiga exempel av den gällande biologiska materien för elektrisk aktivitet, beror i faktum på ionic strömmar och gäller ett välkänt samspel mellan protein kanaliserar varierande deras genomtränglighet till joner som svar på bestämda stimuli och den dielectric rekvisitan av axonmembranet som de bäddas in in.

Biomolecular elektronik, handlar i stället med biomolecules som är kompetent att överföra elektroner mellan molekylära partners som ett resultat av redoxreaktioner1. Dessa molekylar kan vara redoxmetalloproteins, proteiner uthärda redoxhälfter (e.g disulfideförbindelser) eller redoxcofactors (e.g quinone-baserade molekylar).

Det tros att omkring 25-30% av den hela proteomen komponeras av metalloproteins; därför överenskommelse deras uppförande, eventuellt på den jämna singelmolekylen, föreställer ett extremt relevant företag. Dessutom har den fysiologiska funktionella aktiviteten av redoxmetalloproteins av att skicka elektroner mellan redoxpartners optimerats av mer, än 4 miljarder evolution och, som sådan, det för år naturlig resulterar för att vara extremt effektiva och appellera för applikationer.

Den vetenskapliga aktiviteten på biomolecular elektronik daterar tillbaka till tidig sortninetiesna och har startats av adventen av scanningsondmikroskop, speciellt scanningen som gräver mikroskopet (STM).

Nuförtiden bearbetar det experimentellt av primat för utredningen av elektrontransport i redoxmetalloproteins på den jämna singelmolekylen är en evolution av STM som kan fungeras i fyra-elektrod en electrochemical cell: den electrochemical scanningen som gräver mikroskopet (ECSTM)2. Den presenterar möjligheten av att mäta grävaströmmar i physiologic-något liknande, den salt aqueous lösningen till och med molekylära adsorbates på atomically sänker, ledande substrates. Därför på variancen med den välkända STMEN, gör den bruk av isolerade spetsar och av en bipotentiostat som kan köra självständigt det potentiellt av belägga med metallsubstraten och spetsen, förhindra således faradic strömmar för att äga rum på båda funktionsdugliga elektroder (spetsen och substraten). Resultatet är ett mikroskop som ger spectroscopic-något liknande avbildar av molekylära adsorbates. En generisk ECSTM ställer in visas in figurerar 1.

Figurera 1. Intrig av en ECSTM. Inlägg visar en isolerad ECSTM-sond.

En prototypical redoxmetalloprotein, som har brett utforskats av ECSTM, är azurinen från Pseudomonas - aeruginosaen, en molekyl som hör hemma till familjen av blåtten, förkopprar proteiner, som dess intensiva blått färgar avslöjer. Detta redoxprotein skickar elektroner mellan proteinaceous partners, genom att ändra vändbart oxidationen som är statlig av en förkoppraatom i dess aktivplats (Cu⇔Cu2+1+). Dessutom dess strukturera karakteriseras av en utsatt disulfide överbryggar (Cys3-Cys26) som vänd ut som är extremt användbara för att ankra molekylen på sänker atomically, den guld- substraten, figurerar 2.

Figurera 2. 3dna strukturerar av azurinen från Pseudomonas - aeruginosa. Strukturell information från PDB sparar 1E5Y.

ECSTM-utredning av azurinen avslöjer firstly en substrate som potentiell anhörigkontrast i konstant ström avbildar3; det utseendemässigt av molekylära särdrag i avbildar resultat från den riktiga justeringen av Fermien jämnar av substraten och spets, som beslutsamt vid det bipotentiostatic kontrollera, med hänsyn till de molekylära redoxna jämnar (”tätheten av oxiderat eller förminskande jämnar”). Dessutom visar ECSTM-studier möjligheten av att skilja mellan molekylar som är identisk i deras, strukturerar, men att uthärda som är olikt, belägger med metall joner i deras aktivplats (eg. Cu vs Zn)4. Denna möjlighet möjliggöras av de radically olika redoxna som är potentiella av de två jonerna. Från en applicerad ståndpunkt kvalificerar det anmälde uppförandet azurin som ett molekylärt elektroniskt kopplar och möjliggör halvledar- elektroniska applikationer5.

Direct tar fram till att gräva strömmen möjliggör också en specificerad analys av elektrontransportmekanismen som är involverad i fenomen. När du Genomför ”en ändring av perspektiv” ett kan immobilize azurin på en guld- ECSTM-spets som uppnår fördelarna av I) som undviker för att spåra molekylarna som adsorberas på substraten; ii) som direkt mäter grävaströmmen, genom att koppla av återkopplingssystemet, när strömuppsättningen pekar, har varit etablerad, svepande spetsspänning för stunder. Under dessa villkorar, det är möjligheten till extraktdata, som låter en belysa den bakomliggande elektrontransporten för mekanismen som två - kliver elektronöverföring med partisk molekylär avkoppling6. Pekar detta den är värt notera som realiserade ställer in konfigurerar en singelproteintransistor med ett electrochemical utfärda utegångsförbud för7. Sannerligen är det fysiskt likvärdigt till en singelpartikeltransistor som är typisk av nanoelectronics: i sistnämnden ges utfärda utegångsförbud för av kapacitivt koppla ihop mellan (tillbaka) a utfärda utegångsförbud för, och de elektroniska jämnar av pricka, eftersom, i gamlan, det finns en sortera av ”utbrett utfärda utegångsförbud för” som omkring kommas med av det electrochemical, kontrollerar av spets, och substraten Fermi jämnar.

Demonstrationen av en singelmetalloprotein blöter biotransistor, såväl som det liknande rönet på andra redoxmolekylar8, kan i princip stenlägga långt till exploateringen av växlinguppförandet av passande biomolecules för att genomföra nanoelectronic apparater som fungerar i en blötamiljö.

I ondska som denna konfigurerar ett suggestivt scenario, det, är den tvivelaktiga huruvida sådan sorten av att närma sig ska är någonsin konkurrenskraftig med halvledar- nanoelectronics. Sannerligen tror vi dess relevans i applikationer bör sökas i ett olikt sammanhang. Krimskramset av de beskrev rönstativen däri upprättar de begreppet av ”elektriskt kontrollerade biologiska reaktioner”. Detta begrepp encompasses inte endast redoxreaktioner och begränsas inte till redoxproteiner; ganska inkluderar fördjupa det också elektrisk-framkallade conformational ändringar i laddade biomolecules och till andra sorter av proteiner liksom enzym, antikroppar, redoxcofactors, som de är involverade i många olika biologiska fenomen. Syften för Detta ganska suggestiva perspektiv att samla den mest avancerade teknologin som Mankind har någonsin framkallat (Elektronik) med den mest sofistikerade organisationen som är jämn av materien, som Naturen har så långt producerat: den biologiska materien.

Exemplifieringar av det nämnda begreppet spänner över från modulering av den bindande frändskapet av antikroppar för de motsvarande antigensna vid elektriska framkallade conformational ändringar, till modulering av genuttryckt profilerar via att trimma gestaltningen av redoxenzym som är involverade i kontrollera av genuttryckt. Alla dessa exempel är anmärker av intensiv utredning och föreställer för närvarande de mest proming framtida trenderna i Biomolecular Elektronik.


Hänvisar till

  1. A. Alessandrini, P. Facci ”Metalloprotein Elektronik” i CRC-Handbok i Nano och Molekylär Elektronik Ed. S. Lyshevsky, Boca Raton, 14, 1-47, (2007).
  2. Andrea Alessandrini & Microscopy för Paolo Facci ”Electrochemically Hjälpt ScanningSond: ett Kraftigt Bearbetar i Nano (Bio) Vetenskap” i Biophysical Aspekter av Nanotechnology, V. Erokhin, M.K. Ramma, O. Yavuz Eds., Elsevier, 2007.
  3. P. Potentiell-Framkallade Facci, D. Alliata, S. Cannistraro ”Resonant Gräva till och med en Redox Metalloprotein som Sonderades av Electrochemical ScanningSondMicroscopy”, Ultramicroscopy, 89(4), 291-298, (2001).
  4. A. Alessandrini, M. Gerunda, G. Canters, M. Ph. Verbeet P. Facci ”Elektronen som Gräver till och med Azurin, Medlas av Jonen för AktivPlatsCu”, 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 ”Halvledar- Molekylär Tillrättare som Baseras på Själv-Organiserade Metalloproteins”, Adv. Mater., 14, 1449-1453, (2002); R. Rinaldi, En Biasco, G. Maruccio, R. Cingolani, D. Alliata, L. Andolfi, P. Facci, F. De Rienzo, R. Di Felice, E. Molinari, M. Verbeet och G. Canters, ”Elektronisk beriktigande i proteinapparater”, Appl. Phys. Lett., 82, 472 (2003).
  6. A. Alessandrini, S. Corni, P. Facci ”som River Upp överföring för singelmetalloproteinelektron, genom att avläsa sondtekniker” Phys. Chem. Chem. Phys., 8, 4383-4397 (2006).
  7. A. blöter Alessandrini, M. Salerno, S. Frabboni, P. Facci ”Singel-metalloprotein biotransistoren” Appl. Phys. Lett., 86, 133902, (2005).
  8. P. Petrangolini, A. Alessandrini, L. Berti, P. Facci ”En Electrochemical Scanning som Gräver Microscopystudien av 2, molekylar för hydroquinone (6-mercaptoalkyl) på Au (111)”, J. Förmiddag. Chem. Soc., 2010, 132, 7445-7453.

Ta Copyrightt på AZoNanoo.com, Professorn Paolo Facci (CNR-NANO)

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

Last Update: 14. June 2013 07:23

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