Los científicos han modificado filamentos de proteínas diseñados originalmente por bacterias para conducir electricidad. En un estudio publicado recientemente en la revista Small , los investigadores revelaron que los nanocables de proteínas, que fueron modificados añadiendo un solo compuesto, pueden conducir electricidad en distancias cortas y aprovechar la energía de la humedad del aire.
"Nuestros hallazgos abren posibilidades para desarrollar componentes y dispositivos eléctricos sostenibles y respetuosos con el medio ambiente, basados en proteínas", afirma el Dr. Lorenzo Travaglini, autor principal del artículo. "Estos nanocables diseñados algún día podrían conducir a innovaciones en la recolección de energía, aplicaciones biomédicas y detección ambiental".
Los avances en el campo interdisciplinario que combinan la ingeniería de proteínas y la nanoelectrónica también son prometedores para el desarrollo de tecnologías de vanguardia que cierren la brecha entre los sistemas biológicos y los dispositivos electrónicos.
"En última instancia, nuestro objetivo es modificar los materiales producidos por bacterias para crear componentes electrónicos. Esto podría conducir a una era completamente nueva de electrónica ecológica, ayudando a dar forma a un futuro más sostenible", afirma el Dr. Travaglini, supervisado por el Dr. Dominic Glover en el SYNbioLAB de la Facultad de Biotecnología y Ciencias Biomoleculares.
La electricidad se crea mediante el movimiento de electrones (pequeñas partículas que llevan una carga eléctrica) entre los átomos.
"Muchos eventos en la naturaleza requieren el movimiento de electrones y son fuente de inspiración para nuevas técnicas de recolección de electricidad", dice el Dr. Travaglini. "Por ejemplo, la clorofila de las plantas necesita mover electrones entre diferentes proteínas para poder realizar la fotosíntesis".
Las bacterias naturales también utilizan filamentos conductores, conocidos como nanocables, para transferir electrones a través de sus membranas. Es importante destacar que los nanocables bacterianos que conducen electricidad tienen el potencial de interactuar con sistemas biológicos, como las células vivas, y podrían usarse en biodetección para monitorear señales internas del cuerpo mediante una interfaz hombre-máquina.
Sin embargo, cuando se extraen directamente de bacterias, estos nanocables naturales son difíciles de modificar y tienen una funcionalidad limitada.
"Para superar estas limitaciones, modificamos genéticamente una fibra utilizando la bacteria E. coli", dice el Dr. Travaglini. "Modificamos el ADN de E. coli para que la bacteria no sólo produjera las proteínas que necesitaba para sobrevivir, sino que también construyera la proteína específica que habíamos diseñado, que luego diseñamos y ensamblamos en nanocables en el laboratorio".
El equipo sabía que por sí sola, la proteína producida por las bacterias no sería muy conductora, pero que necesitarían añadir un solo ingrediente.
La pieza que faltaba del rompecabezas era una molécula hemo.
El hemo es una estructura circular, conocida como anillo de porfirina, con un átomo de hierro en el medio. Es responsable de transportar el oxígeno de los glóbulos rojos desde los pulmones al resto del cuerpo.
Investigaciones recientes han sugerido que cuando las moléculas de hemo están dispuestas muy juntas, permiten la transferencia de electrones. Entonces, el Dr. Travaglini y su equipo integraron el hemo en los filamentos producidos por las bacterias, sospechando que los electrones podrían saltar entre las moléculas del hemo si estuvieran ubicadas lo suficientemente cerca unas de otras.
En el laboratorio, el equipo midió la conductancia de los filamentos diseñados colocando una película del material sobre un electrodo y aplicando un potencial eléctrico. "Como esperábamos, descubrimos que al añadir hemo al filamento, la proteína se volvía conductora, mientras que el filamento desnudo sin hemo no mostraba corriente", dice el Dr. Travaglini.
Si bien el Dr. Travaglini y el Dr. Glover inicialmente se propusieron modular un material natural en un cable conductor, descubrieron algunos resultados sorprendentes.
"Realizamos las pruebas de conductividad en una cámara donde se pueden controlar las condiciones externas", dice el Dr. Travaglini. "Empezamos a notar que en lo que se consideran 'condiciones ambientales', entre un 20% y un 30% de humedad, la corriente eléctrica era más fuerte".
El equipo decidió realizar más pruebas, utilizando cantidades más espesas del material, intercaladas entre dos electrodos de oro. "Hemos propuesto que la humedad creaba un gradiente de carga a lo largo de la profundidad del material", dice el Dr. Travaglini. "Y esta carga desequilibrada a lo largo de la película es capaz de crear una corriente corta, sin tener que aplicar ningún potencial".
Una vez que descubrieron que el filamento respondía a la humedad, crearon un sensor de humedad simple para medir cómo reaccionaba la corriente a la humedad en el aire, simplemente respirando sobre el dispositivo. "Descubrimos que cada pico en la conductividad de la fibra correspondía a una exhalación", dice el Dr. Travaglini.
Esta investigación podría abrir la puerta a la posibilidad de producir dispositivos eléctricos a partir de materiales sostenibles y no tóxicos que requieran energía ultrabaja.
"Los productos electrónicos que solemos utilizar se crean mediante procesos que requieren altas temperaturas y requieren mucha energía. No son ecológicos y los materiales de los que se obtienen pueden ser tóxicos", dice el Dr. Travaglini. "Usar biomateriales para generar electricidad es mucho más respetuoso con el medio ambiente. Podemos producir estos filamentos a partir de bacterias y es escalable".
Las propiedades de estos conjuntos de proteínas también podrían ajustarse modulando la estructura química del hemo o el entorno circundante del filamento. Actualmente, el equipo está experimentando con la incorporación de diferentes moléculas de pórfido para cambiar las propiedades del material, incluidas las sensibles a la luz. "Este nivel de control es difícil de lograr con nanocables bacterianos naturales, lo que destaca la versatilidad y el potencial de nuestro enfoque sintético", afirma el Dr. Travaglini.
El Dr. Travaglini destaca que su equipo aún se encuentra en las primeras etapas de investigación, y podría pasar un tiempo hasta que veamos estos filamentos diseñados utilizados en nuestra electrónica cotidiana. "Es realmente una cuestión de traducción", dice. "No sabemos exactamente cuánto tiempo llevará, pero podemos ver que vamos en la dirección correcta".
Más información: Lorenzo Travaglini et al, Fabricación de nanocables de proteínas hemo conductoras electrónicamente para la recolección de energía, pequeños (2024). DOI:10.1002/smll.202311661
Información de la revista: Pequeño
Proporcionado por la Universidad de Nueva Gales del Sur
