سیم‌های زنده، برای استفاده در حوزه نانوالکترونیک

استوارت لیندزی و همکارانش نشان دادند که برخی پروتئین‌ها می‌توانند به عنوان رسانای الکتریکی کارآمد عمل کنند. این سیم‌های پروتئینی ممکن است خواص رسانایی بهتری نسبت به نانوسیم‌های مشابه از جنس DNA داشته باشند.

کد خبر: ۱۰۰۱۵۰۰

يکشنبه - ۲۲ اسفند ۱۴۰۰ / March 13, 2022

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، یافته‌های اخیر محققان که در قالب مقاله‌ای با عنوان Electronic Transport in Molecular Wires of Precisely Controlled Length Built from Modular Proteins در مجله ACS Nano منتشر شده است، نشان می‌دهد که پروتئین‌ها می‌توانند به عنوان سیم‌های حامل جریان الکتریسیته عمل کنند. استوارت لیندزی و همکارانش نشان دادند که برخی پروتئین‌ها می‌توانند به عنوان رسانای الکتریکی کارآمد عمل کنند. این سیم‌های پروتئینی ممکن است خواص رسانایی بهتری نسبت به نانوسیم‌های مشابه از جنس DNA داشته باشند.

لیندزی از دانشگاه ایالتی آریزونا مدیریت مرکز طراحی زیستی برای بیوفیزیک تک مولکولی را بر عهده دارد.

پروتئین‌ها به‌طور رایج به‌عنوان رسانای ضعیف الکتریسیته شناخته می‌شوند، اما وقتی لیندزی و همکارانش نشان دادند که پروتئینی که بین یک جفت الکترود قرار دارد می‌تواند به‌عنوان رسانای کارآمد الکترون‌ها عمل کند، این پیش فرض تغییر کرد.

اگرچه حمل و نقل الکترون کانون تحقیقات قابل توجهی بوده است، ماهیت جریان الکترون‌ها از طریق پروتئین‌ها همچنان یک راز باقی مانده است. به‌طور کلی، این فرآیند می‌تواند از طریق تونل زنی الکترونی رخ دهد، یک اثر کوانتومی که در فواصل بسیار کوتاه اتفاق می‌افتد یا از طریق پرش الکترون‌ها در امتداد یک زنجیره پپتیدی انجام می‌شود.

یکی از اهداف این مطالعه تعیین این موضوع بود که کدام یک از این رژیم‌ها با انجام اندازه‌گیری‌های کمی رسانایی الکتریکی در طول‌های مختلف نانوسیم پروتئینی کار می‌کنند. این مطالعه همچنین یک مدل ریاضی را توصیف می‌کند که می‌تواند برای محاسبه خواص مولکولی-الکترونیکی پروتئین‌ها استفاده شود.

در این پروژه، محققان از بخش‌های پروتئینی استفاده کردند که طول آن از ۴ تا ۲۰ نانومتر متغیر بود. یک ابزار بسیار حساس به نام میکروسکوپ تونل زنی روبشی برای اندازه‌گیری دقیق رسانایی در حین پیشرفت انتقال الکترون از طریق نانوسیم پروتئین استفاده شد.

داده‌ها نشان می‌دهند که رسانایی در طول نانوسیم به شیوه‌ای کاهش می‌یابد که با جهش به جای رفتار تونلی الکترون‌ها سازگار است. اسید آمینه (شش تیروزین و یک تریپتوفان)، به هدایت الکترون‌ها در مسیرشان از نقطه‌ای به نقطه دیگر مانند ایستگاه‌های متوالی در مسیر قطار کمک می‌کنند. لیندسی می‌گوید: «انتقال الکترون به نوعی مانند پرش سنگ از روی آب است سنگ زمانی برای فرو رفتن در هر پرش ندارد.»

نانوسیم‌های پروتئینی با طراحی مصنوعی می‌توانند وسایل الکترونیکی فوق‌العاده ریز جدیدی را با کاربرد‌های بالقوه برای حسگری و تشخیص پزشکی یا نسل جدیدی از ترانزیستور‌های رایانه‌ای بسیار ریز ایجاد کنند.

در حالی که پروتئین‌ها از نظر رسانایی الکتریکی و خودآرایی بسیاری از مزایای DNA برای نانوالکترونیک را دارند، الفبای منبسط شده از ۲۰ اسید آمینه که برای ساخت آن‌ها استفاده می‌شود، در مقایسه با تنها چهار نوکلئوتید که DNA را تشکیل می‌دهند، ابزار پیشرفته‌ای را برای نانومعمارانی مانند لیندسی ارائه می‌دهد.