Nanofios de bactérias podem ajudar a desenvolver eletrônica verde

Estrutura dos filamentos γPFD e incorporação de heme para formar nanofios condutores. a) Montagem de filamentos de γPFD através de domínios de folha β, e b) proposta de ligação de moléculas heme aos domínios de bobina enrolada para formar nanofios γPFD-heme. c) Isotermia de ligação proteína-ligante com 30 µm de γPFD e concentração variável de heme, o que indica uma razão estequiométrica de ≈1 heme por subunidade γPFD em filamentos. d) Imagem TEM dos nanofios γPFD-heme. Crédito:Pequeno (2024). DOI:10.1002/smll.202311661

Filamentos de proteínas projetados originalmente produzidos por bactérias foram modificados por cientistas para conduzir eletricidade. Em um estudo publicado recentemente na revista Small , os pesquisadores revelaram que os nanofios de proteína – que foram modificados pela adição de um único composto – podem conduzir eletricidade em distâncias curtas e aproveitar a energia da umidade do ar.

“Nossas descobertas abrem possibilidades para o desenvolvimento de componentes e dispositivos elétricos sustentáveis e ecologicamente corretos, baseados em proteínas”, diz o Dr. Lorenzo Travaglini, principal autor do artigo. "Esses nanofios projetados poderão um dia levar a inovações na captação de energia, aplicações biomédicas e detecção ambiental."

Os desenvolvimentos no campo interdisciplinar que combinam engenharia de proteínas e nanoeletrônica também são promissores para o desenvolvimento de tecnologias de ponta que preenchem a lacuna entre os sistemas biológicos e os dispositivos eletrônicos.

"Em última análise, o nosso objetivo é modificar os materiais produzidos pelas bactérias para criar componentes eletrónicos. Isto poderá levar a uma nova era de eletrónica verde, ajudando a moldar um futuro mais sustentável", diz o Dr. Travaglini, que é supervisionado pelo Dr. Dominic Glover no SYNbioLAB da Escola de Biotecnologia e Ciências Biomoleculares.

Inspirando-se na natureza

A eletricidade é criada pelo movimento de elétrons – pequenas partículas que carregam uma carga elétrica – entre os átomos.

“Muitos eventos na natureza exigem o movimento de elétrons e são a fonte de inspiração para novas técnicas de coleta de eletricidade”, diz o Dr. Travaglini. "Por exemplo, a clorofila nas plantas precisa mover elétrons entre diferentes proteínas para poder fotossintetizar."

As bactérias que ocorrem naturalmente também usam filamentos condutores, conhecidos como nanofios, para transferir elétrons através de suas membranas. É importante ressaltar que os nanofios bacterianos que conduzem eletricidade têm o potencial de interagir com sistemas biológicos, como células vivas, e podem ser usados em biossensor para monitorar sinais internos do corpo usando uma interface homem-máquina.

No entanto, quando extraídos diretamente de bactérias, estes nanofios naturais são difíceis de modificar e têm funcionalidade limitada.

“Para superar essas limitações, projetamos geneticamente uma fibra usando a bactéria E. coli”, diz o Dr. Travaglini. "Modificamos o DNA da E. coli para que a bactéria não apenas produzisse as proteínas necessárias para sobreviver, mas também construísse a proteína específica que projetamos, que então projetamos e montamos em nanofios no laboratório."

A equipe sabia que, por si só, a proteína produzida pela bactéria não seria altamente condutiva, mas seria necessário adicionar um único ingrediente.

A peça que faltava no quebra-cabeça era uma molécula heme.

Aproveitar a umidade para criar energia

Heme é uma estrutura circular – conhecida como anel de porfirina – com um átomo de ferro no meio. É responsável por transportar oxigênio nas células vermelhas do sangue dos pulmões para o resto do corpo.

Pesquisas recentes sugeriram que quando as moléculas heme estão dispostas juntas, elas permitem a transferência de elétrons. Assim, Travaglini e sua equipe integraram o heme nos filamentos produzidos pelas bactérias, suspeitando que os elétrons poderiam saltar entre as moléculas do heme se estivessem localizados próximos o suficiente.

No laboratório, a equipe mediu a condutância dos filamentos projetados colocando uma película do material sobre um eletrodo e aplicando um potencial elétrico. “Como esperávamos, descobrimos que ao adicionar heme ao filamento, a proteína tornou-se condutora, enquanto o filamento nu sem o heme não apresentava corrente”, diz o Dr. Travaglini.

Embora o Dr. Travaglini e o Dr. Glover tenham inicialmente decidido modular um material natural em um fio condutor, eles descobriram alguns resultados surpreendentes.

“Realizamos os testes de condutividade em uma câmara onde é possível controlar as condições externas”, diz o Dr. Travaglini. “Começamos a notar que sob o que é considerado ‘condições ambientais’, entre 20% e 30% de umidade, a corrente elétrica era mais forte”.

A equipe decidiu realizar mais testes, utilizando quantidades mais espessas do material, imprensadas entre dois eletrodos de ouro. “Propusemos que a umidade criasse um gradiente de carga em toda a profundidade do material”, diz o Dr. Travaglini. "E esta carga desequilibrada ao longo do filme é capaz de criar uma corrente curta, sem ter de aplicar qualquer potencial."

Assim que descobriram que o filamento respondia à umidade, eles criaram um sensor de umidade simples para medir como a corrente reagia à umidade do ar, simplesmente respirando no dispositivo. “Descobrimos que cada pico na condutividade da fibra correspondia a uma expiração”, diz o Dr. Travaglini.

Um passo na direção certa

Esta pesquisa pode abrir a porta para a possibilidade de produção de dispositivos elétricos provenientes de materiais sustentáveis e não tóxicos que requerem energia ultrabaixa.

“Os eletrônicos que costumamos usar são criados por meio de processos que exigem altas temperaturas e exigem muito energia. Eles não são verdes e os materiais de onde são obtidos podem ser tóxicos”, diz o Dr. Travaglini. "Usar biomateriais para criar eletricidade é muito mais ecológico. Podemos produzir esses filamentos a partir de bactérias e é escalonável."

As propriedades desses conjuntos de proteínas também podem ser ajustadas modulando a estrutura química do heme ou o ambiente circundante do filamento. A equipe está atualmente experimentando a incorporação de diferentes moléculas de pórfiro para alterar as propriedades do material, inclusive as sensíveis à luz. "Este nível de controle é difícil de alcançar com nanofios bacterianos naturais, destacando a versatilidade e o potencial da nossa abordagem sintética", diz o Dr. Travaglini.

Travaglini destaca que sua equipe ainda está nos estágios iniciais da pesquisa e pode demorar um pouco até vermos esses filamentos projetados usados em nossos eletrônicos cotidianos. “É realmente uma questão de tradução”, diz ele. “Não sabemos quanto tempo exatamente isso vai demorar, mas podemos ver que estamos indo na direção certa”.

Mais informações: Lorenzo Travaglini et al, Fabricação de nanofios de proteína-heme eletronicamente condutores para coleta de energia, pequenos (2024). DOI:10.1002/smll.202311661
Informações do diário: Pequeno

Fornecido pela Universidade de Nova Gales do Sul

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