Загряването на обвивката от протеини на бактериофага M13 го превръща в малка електроцентрала, която може да разкрие възможности за конструирането на нови биоинженерни устройства.
Нашият организъм е жив, благодарение на електрическите сигнали, които ни позволяват да свиваме мускулите и да усещаме света. Сложният ни мозък ръководи тези процеси, но се оказва, че дори по-прости биологични единици генерират електричество.
В ново проучване, публикувано в Advanced Materials, изследователите съобщават, че биоинженерен вирус генерира електричество, когато е изложен на топлина, феномен, известен като пироелектричество.
Проучвайки вирусите, изследователите се надяват да разберат по-добре биоелектричеството в човешкото тяло и да приложат това знание за захранване на нови биоматериали.
"Изследването на биоелектричеството датира от 18 век, когато Луиджи Галвани открива, че електрическата стимулация причинява контракция на мускулите при жаби. Но все пак не разбираме как всъщност се случва този биоелектричен феномен на молекулярно ниво", коментира Сеунг-Вук Лий (Seung-Wuk Lee), биоинженер от Калифорнийския университет, Бъркли, и съавтор на статията.
Бактериофагът M13, пръчковиден вирус, който заразява бактериите, е украсен в молекулярно покритие, изтъкано от близо 3000 копия на спираловиден протеин. Протеинът е положително зареден отвътре и отрицателно зареден отвън, но разположението на дебелата протеинова обвивка балансира зарядите.
Схематичен чертеж на вирион на пръчковиден бактериофаг M13 от разред Tubulavirales. • Синьо: Протеин на обвивката g3p (pIII) • Кафяво: Протеин на обвивката g6p (pVI) • Червено: Протеин на обвивката g7p (pVII) • Зелено: Протеин от обвивката g8p (pVIII) • Тъмновиолетово: Протеин на обвивката g9p (pIX) • Лилаво: Едноверижна ДНК. Кредит: Wikimedia Commons
Преди повече от десетилетие изследователският екип на Лий прилага натиск върху протеините на обвивката, което кара бактериофага да проявява пиезоелектричество – способността да се трансформира механичната сила в електричество. Когато изследователите прилагат натиск върху вирусите, протеините на обвивката променят формата си, нарушавайки симетрията на заряда и се поляризират, което генерира електрическо поле и индуциран ток.
В новото си проучване изследователите разглеждат дали биха могли по подобен начин да използват топлина, за да изместят заряда и да генерират електричество.
Те редактират така генетичния код на вирусите, за да включват специфична протеинова последователност, която е привлечена от никела. По този начин вирусите ще се свържат и ще стоят изправени върху тънка никелирана плоча, като градски небостъргачи. След това те подлагат тези вирусни градове на топлина с нагряване или с лазер. Тъй като протеините се стопяват и разгъват, зарядите на протеините стават небалансирани, генерирайки напрежение.
"Топлината предизвика промяна на поляризацията, а промяната на поляризацията предизвика електрически потенциал", разказва Лий.
Въпреки че естествено срещащият се спираловиден протеин произвежда известно пироелектричество, изследователите се опитват да придадат на молекулата допълнителна електрическа искра. За да направят това, те генетично променят бактериофага, за да добавят низ от глутамат, отрицателно зареден градивен елемент от протеини, във външната част на протеина на обвивката. Когато изследователите усилват топлината, добавеният глутамат увеличава поляризацията, повече от два пъти увеличавайки пироелектричеството на нормалния протеин.
"Самият факт, че те могат генетично да мутират вируса и да го направят пироелектрически – това е завладяваща работа", коментира Сеунг Тофаил (Syed Tofail), физик от Университета в Лимерик, който не е участвал в проучването.
Представено е първото наблюдение на генериране на топлинно индуциран електрически потенциал върху вирус и откриването му чрез пироелектричество. По-конкретно, авторите изследват пироелектричните свойства на фага M13, който притежава присъщи диполни структури, получени от нецентросиметричното разположение на основния протеин на обвивката (pVIII) с α-спирална конформация. Еднопосочната поляризация на фага се постига чрез генно инженерство на опашния протеин (pIII) и техники за самосглобяване, подпомагани от шаблон. Чрез модифициране на pVIII протеините с различен брой глутаматни остатъци се изследват зависимите от структурата регулируеми пироелектрични свойства на фага. Най-поляризираният фаг проявява пироелектричен коефициент от 0,13 µC m−2 °C−1. Изчислителното моделиране и спектроскопският анализ потвърждават, че разгръщането на α-спиралите в pVIII протеините води до промени в поляризацията на фагите при нагряване. Освен това, фагът е генетично модифициран, за да позволи неговата пироелектрична функция в различни химически среди. Този базиран на фаги подход не само осигурява ценна представа за биопироелектричеството, но също така отваря нови възможности за откриване на различни вирусни частици. Освен това има голям потенциал за разработването на нови биоматериали за бъдещи приложения в биосензори и биоелектрически материали. Кредит: Advanced Materials, DOI:10.1002/adma.202305503
Han Kim, Kento Okada Inseok Chae, Butaek Lim, Seungwook Ji, Yoonji Kwon, Seung-Wuk Lee
За да демонстрира практическите приложения на техния свръхзареден вирус, екипът на Лий генерира електрически маркери, които маркират наличието на опасни химикали. За да направят това, те създават протеиновата обвивка така, че да свързва ксилен. След това, когато нагряват бактериофагите, протеините променят формата си и произвеждат повече електричество. Откривайки тази разлика в електричеството, авторите казват, че вирусите могат да действат като биосензори за вредни газове.
"В момента най-успешното приложение на пироелектричеството е в пироелектричните сензори“, отбелязва Тофаил, добавяйки, че пироелектричните сензори се правят с олово или литий, така че биологичните материали са привлекателни, защото предлагат по-екологичен материал.
Засега напрежението, което изследователите са открили чрез нагряване на вирусите, е малко, но те планират да стимулират вируса, за да захранва по-сложна електроника. Тъй като вирусите M13 се самовъзпроизвеждат, учените могат да увеличат броя на вирусите и "ние можем да усилим електричеството по подобен начин", съобщава Лий. "Това е голям мотив".
Справка:
- Kim H, et al. Virus-based pyroelectricity. Adv Mater. 2023;35(46):e2305503.
- Piccolino M. Luigi Galvani and animal electricity: Two centuries after the foundation of electrophysiology. Trends Neurosci. 1997;20(10):443-448.
- Lee BY, et al. Virus-based piezoelectric energy generation. Nat Nanotechnol. 2012;7(6):351-356.
- Lee JH, et al. Vertical self-assembly of polarized phage nanostructure for energy harvesting. Nano Lett. 2019;19(4):2661-2667.
Източник: Researchers demonstrate heat-induced pyroelectricity in viruses Discovery may pave the way for new bio-inspired devices Berkeley Engineering
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари