生物化子的电子 - 概览和远期在生物化子的电子趋向

由保罗 Facci 教授

保罗 Facci, nanobiolab, CNR-NANO,摩德纳,意大利教授。
对应的作者: p.facci@unimore.it

生物化子的电子是处理调查和电子在原生质特殊选件类的输运性质的技术开发的纳诺科学和技术分行。 虽然它涉及能捐赠或接受电子的分子,生物化子的电子与控制电信号的生成和传送的在神经系统的细胞的分子基础无关,即动作电位。 电子活动适合于的生物问题的此非常重要示例,实际上取决于离子当前并且介入在变化他们的渗透性的蛋白质通道之间的著名的互相作用对离子以回应某些刺激和埋置他们轴突膜的电介质属性。

生物化子的电子,反而,涉及由于氧化还原的回应,能调用电子在分子合作伙伴之间的原生质1。 这些分子可以是氧化还原的 metalloproteins、蛋白质负担氧化还原的份额 (即二硫键) 的或氧化还原的辅助因素 (即基于对苯二酮的分子)。

相信大约 25-30% 整个 proteome 是由 metalloproteins 组成的; 因此了解他们的工作情况,可能在唯一分子级别,代表非常相关企业。 此外,穿梭电子氧化还原的 metalloproteins 的生理机能活动在氧化还原的合作伙伴之间由超过 4 数十亿优选了几年自然演变,并且,同样地,它发生是十分有效和要求为应用。

在生物化子的电子的科学活动追溯到 90 年代初期和由扫描探测显微镜出现,特别是扫描挖洞显微镜触发了 (STM)。

现今,选择实验工具为电子运输的调查在氧化还原的 metalloproteins 的在唯一分子级别是在四电极电化学细胞可以被管理 STM 的演变: 电化学扫描挖洞显微镜 (ECSTM)2。 它以挖洞在象生理,咸水溶液的评定为特色的可能性当前通过在基本平面,导电性基体的分子被吸附物。 所以,与著名的 STM 不一致,它利用被绝缘的技巧可能独立地驱动金属基体和这个技巧潜在,因而防止感应电流的当前在两个进行运转的电极的和 bipotentiostat (技巧和基体)。 这个结果是提供分子被吸附物的象分光镜的图象的显微镜。 一个通用 ECSTM 设置在表 1. 表示。

ECSTM 的图 1. 模式。 插页显示被绝缘的 ECSTM 探测。

由 ECSTM 广泛调查的一样本氧化还原的 metalloprotein 是从绿浓杆菌,属于蓝色铜蛋白质的系列的分子的 azurin,因为其强烈的蓝色颜色显示。 此氧化还原作用蛋白质穿梭电子在蛋白质的合作伙伴之间通过可逆更改一个铜原子的氧化态在其有效的站点 (Cu⇔Cu2+1+)。 此外,其结构描绘的是为结果是非常有用的对停住在一个基本平面的金基体的分子的一座显示的二硫化物桥梁 (Cys3-Cys26),图 2。

图 2。 azurin 3d 结构从绿浓杆菌的。 结构信息从 PDB 文件 1E5Y。

azurin 的 ECSTM 调查首先显示在恒定的当前图象的一个基体潜在的从属的对比3; 起因于基体和技巧的费米能级的适当的对准线,如这个 bipotentiostatic 控制取决于分子功能外观在图象的,关于分子氧化还原的级别 (“密度被氧化的或减少的级别”)。 此外, ECSTM 研究在他们的结构,但是负担显示区分的可能性在分子之间,相同不同的金属离子在他们有效的站点 (即古芝与锌)4。 此可能性由二个离子的完全不同的氧化还原电位启用。 从一个应用的立场,这个报告的工作情况合格 azurin 作为一个分子电子开关并且启用固体电子应用5

对挖洞当前的直接存取也启用在这种现象介入的对电子传输机制的一个详细的分析。 实施透视图”一的 “更改可能固定在金子 ECSTM 技巧的 azurin,达到避免在这个基体吸附的 i) 跟踪分子的好处; ii) 直接地评定挖洞当前通过关闭反馈系统,当前调整点一次被设立了,当详尽时打翻电压。 在这些条件下,提取允许一阐明结构基础电子运输作为与部分分子放松的二步电子调用的数据是可能的6。 它值得注意到的此点,这个认识到的设置配置一支唯一蛋白质晶体管以一个电化学门7。 的确,它与一支唯一微粒晶体管是实际上等同的特点 nanoelectronics : 在后者给装门由在 a (回到) 门和小点之间的电子级别的电容耦合提供,而,在前面,有技巧和基体费米能级电化学控制”达到的一种 “散开的装门。

一唯一 metalloprotein 湿 biotransistor 的演示,以及在其他氧化还原的分子的相似的发现8,可能原则上铺平道路到适当的原生质切换工作情况的开发实施的运行在一个湿环境里的 nanoelectronic 设备。

在这配置一个暗示方案的赌气,这是值得怀疑这样途径是否将是竞争的与固体 nanoelectronics。 的确,我们相信在一个不同的环境应该寻找其在应用的相关性。 被描述的发现的时新商品突出他们设立 “电子受控制生物回应的”概念。 此概念包含不仅氧化还原的回应和没有被限制到氧化还原的蛋白质; 相反,当他们在许多不同的生物现象,介入它也包括在被充电的原生质上的电子诱发的构象的变化并且延伸到其他蛋白质例如酵素,抗体,氧化还原的辅助因素。 此相当暗示透视图打算会集人类开发了的最先进的技术 (电子) 到目前为止与问题的最复杂的组织级别本质导致了: 生物问题。

上述概念范围的例证从抗体的吸附亲和性的模块化的对应的抗原的由电子导致的构象的更改,对基因表达配置文件的模块化通过调整在基因表达控制介入的氧化还原的酵素的相应一致。 所有这些示例当前是强烈的调查对象并且表示在生物化子的电子的 proming 的将来的趋势。


参考

  1. A. Alessandrini, P. Facci “Metalloprotein 电子”在纳诺和分子电子爱德的 CRC 手册。 S. Lyshevsky,博察 Raton, 14, 1-47, (2007)。
  2. 安德里亚 Alessandrini, & 保罗 Facci “电化学上协助解决的扫描探测显微学: 一个强大的工具在纳诺 (生物) 科学”在纳米技术, V. Erokhin, M.K. Ram, O. Yavuz Eds 的生物物理学的方面。, Elsevier, 2007年。
  3. P. Facci, D. Alliata, S. Cannistraro “潜在诱发共振挖洞通过电化学扫描探测显微学探查的氧化还原的 Metalloprotein”,显微镜检查, 89(4), 291-298, (2001)。
  4. A. Alessandrini, M. Gerunda, G. Canters, M. Ph. Verbeet, P. Facci “电子挖洞通过 Azurin 由有效的站点古芝离子斡旋”, Chem。 Phys。 Lett。, 376/5-6 页。 625-630, (2003)。
  5. R. Rinaldi, A. Biasco, G. Maruccio, R. Cingolani, D. Alliata, L. Andolfi, P. Facci, F. De Rienzo, R. Di 费利斯, E. Molinari “在自组织的 Metalloproteins 基础上的固体分子整流器”,副词。 Mater。, 14日 1449-1453, (2002); R. Rinaldi、 Biasco、 G. Maruccio, R. Cingolani, D. Alliata, L. Andolfi, P. Facci, F. De Rienzo, R. Di 费利斯, E. Molinari, M. Verbeet 和 G. Canters, “在蛋白质设备的电子整流”, Appl。 Phys。 Lett。, 82, 472 (2003)。
  6. A. Alessandrini, S. Corni, P. Facci “解开的唯一 metalloprotein 电子调用通过浏览探测技术” Phys。 Chem。 Chem。 Phys。, 8, 4383-4397 (2006)。
  7. A. Alessandrini, M. Salerno, S. Frabboni, P. Facci “单一的 metalloprotein 湿 biotransistor” Appl。 Phys。 Lett。, 86, 133902, (2005)。
  8. P. Petrangolini, A. Alessandrini, L. Berti, P. Facci “2 个 (6-mercaptoalkyl) 对位氢化苯醌分子的一个电化学扫描挖洞显微学研究在澳大利亚 (111) 的”, J. Am。 Chem。 Soc., 2010年, 132, 7445-7453。

版权 AZoNanoo.com,保罗 Facci (CNR-NANO) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 06:44

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