Naučnici sa Univerziteta Masačusets Amherst nedavno su objavili pronalazak nanožice, 10.000 puta tanje od ljudske dlake, koja se može jeftino uzgajati uobičajenim bakterijama i koja se može podesiti da „miriše“ široku lepezu hemijskih tragova – uključujući i one koje se oslobađaju. ljudi koji pate od različitih zdravstvenih stanja, kao što su astma i bolest bubrega.
Hiljade ovih posebno podešenih žica, od kojih svaka njuši različitu hemikaliju, može se postaviti na male, nosive senzore, omogućavajući zdravstvenim radnicima alat bez presedana za praćenje potencijalnih zdravstvenih komplikacija. Pošto ove žice uzgajaju bakterije, one su organske, biorazgradive i daleko zelenije od bilo koje neorganske nanožice.
Da bi napravili ova otkrića, koja su detaljno opisana u časopisu Biosensors and Bioelectrics, stariji autori Derek Lovlei, uvaženi profesor mikrobiologije na UMass Amherst, i Jun Iao, profesor elektrotehnike i računarstva na Fakultetu inženjeringa u UMass Amherst, morali su da pogledaju ne dalje od sopstvenog nosa.
„Ljudski nosovi imaju stotine receptora, od kojih je svaki osetljiv na jedan specifičan molekul“, kaže Jao. „Oni su znatno osetljiviji i efikasniji od bilo kog mehaničkog ili hemijskog uređaja koji bi mogao da se konstruiše. Pitali smo se kako bismo mogli da iskoristimo sam biološki dizajn umesto da se oslanjamo na sintetički materijal.“
Drugim rečima, tim se zapitao da li bi mogli da rade sa prirodom kako bi nanjušili bolest – a ispostavilo se da su upravo to i uradili.
Odgovor počinje sa bakterijom poznatom kao Geobacter sulfurreducens, koju su Lovli i Jao ranije koristili za stvaranje biofilma koji može da proizvodi dugotrajnu, kontinuiranu električnu energiju iz vašeg znoja. G. sulfurreducens’ ima iznenađujuću prirodnu sposobnost da raste sitne, električno provodljive nanožice.
Ali G. sulfurreducens je izbirljiva bakterija kojoj su potrebni specifični uslovi u kojima će rasti, što otežava upotrebu u velikim razmerama. „Ono što smo uradili“, kaže Lovli, „je da smo uzeli „gen za nanožicu“—nazvan pilin—iz G. sulfurreducens i ugradili ga u DNK Escherichia coli, jedne od najrasprostranjenijih bakterija na svetu.“
Jednom kada je gen za pilin uklonjen iz G. sulfurreducens, Lovlei, Iao i tim su ga modifikovali tako da sadrži specifičan peptid, poznat kao DLESFL, koji je izuzetno osetljiv na amonijak — hemikaliju koja je često prisutna u dahu osoba sa oboljenjem bubrega. . Kada su zatim spojili modifikovani gen za pilin u DNK E. coli, genetski modifikovana bakterija je iznikla sićušne nanožice načičkane peptidom koji oseća amonijak. Tim je zatim sakupio ove nanožice osetljive na amonijak i ugradio ih u senzor.
„Genetička modifikacija nanožica učinila ih je 100 puta osetljivijim na amonijak nego što su bile prvobitno“, kaže Iassir Lekbach, ko-autor rada i postdoktorski istraživač mikrobiologije na UMass Amherst. „Nanožice proizvedene od mikroba funkcionišu mnogo bolje kao senzori od prethodno opisanih senzora proizvedenih od tradicionalnih silicijumskih ili metalnih nanožica.“
I nema potrebe da ove nove senzore ograničavate samo na amonijak i bolest bubrega. Tošijuki Ueki, drugi vodeći autor i profesor istraživanja mikrobiologije na UMass Amherstu, kaže da je „moguće dizajnirati jedinstvene peptide, od kojih svaki specifično vezuje molekule od interesa. Dakle, što više molekula tragača, koje telo emituje i koji su specifični za određenu bolest, možemo napraviti senzore koji uključuju stotine različitih nanožica za njušenje hemikalija za praćenje svih vrsta zdravstvenih stanja.“
Tradicionalne nanožice, napravljene od silikona ili ugljeničnih vlakana, mogu biti veoma toksične – ugljenične nanocevi su same po sebi kancerogene – i završavaju kao biorazgradivi e-otpad. Njihove sirovine mogu zahtevati ogromne količine energije i hemijskih inputa za žetvu i obradu, kao i ostavljajući dubok uticaj na životnu sredinu. Ali pošto se nanožice Lovlei i Iao uzgajaju od uobičajenih bakterija, one su daleko održivije.
„Jedna od najuzbudljivijih stvari u vezi sa ovom linijom istraživanja,“ kaže Jao, „je da elektrotehniku vodimo u fundamentalno novom pravcu. proteinske nanožice je da možete koristiti genetski dizajn života da biste izgradili stabilnu, svestranu platformu sa malim uticajem i isplativom.
