グリーンテクノロジーのブレークスルーは、電気工学における新たな生物学的パラダイムを象徴している Breakthrough in green technology represents a new, biological paradigm in electrical engineering
2023-02-22 マサチューセッツ大学アマースト校
◆この画期的な成果は、学術誌『Biosensors and Bioelectrics』に掲載された。
◆「人間の鼻には何百もの受容体があり、それぞれが特定の1つの分子に感応します」とヤオは言います。「人間の鼻には何百もの受容体があり、それぞれが特定の1つの分子に反応します。この受容体は、機械的または化学的に設計されたどの装置よりも、はるかに高感度で効率的なのです。私たちは、合成材料に頼るのではなく、生物学的デザインそのものを活用できないかと考えました」。
◆言い換えれば、研究チームは、自然界と協力して病気を嗅ぎ分けることができないかと考え、まさにそれを実現したのです。
◆その答えは、Geobacter sulfurreducensという細菌から始まる。LovleyとYaoは以前、この細菌を使って、汗から長期的かつ継続的に電気を作り出すことができるバイオフィルムを作成した。Geobacter sulfurreducens’は、導電性の小さなナノワイヤーを成長させるという驚くべき能力をもっている。
◆しかし、G. sulfurreducensは気難しい細菌で、増殖するために特定の条件を必要とするため、大規模に使用することは困難です。「我々が行ったのは、G. sulfurreducensからピリンと呼ばれるナノワイヤー遺伝子を取り出し、世界で最も広く普及している細菌の一つである大腸菌のDNAに組み込むことです」とラブリー教授は言う。
◆ピリン遺伝子がG. sulfurreducensから取り除かれると、Lovley、Yaoとそのチームは、DLESFLと呼ばれる特定のペプチドを含むようにそれを修正しました。大腸菌のDNAにこのピリン遺伝子を組み込むと、アンモニアに反応するペプチドでできた小さなナノワイヤーが芽生えた。研究チームは次に、このアンモニア感受性の高いナノワイヤーを採取し、センサーに組み込んだ。
◆この論文の共同執筆者で、UMASS Amherstの微生物学博士研究員であるYassir Lekbach氏は、「遺伝子組み換えによって、ナノワイヤーは、アンモニアに対して、本来の100倍も反応するようになりました」と語っています。”微生物が作り出したナノワイヤは、従来のシリコンや金属ナノワイヤで作られた既知のセンサーよりも、センサーとしてはるかに優れた機能を発揮します。”
◆そして、これらの新しいセンサーを、アンモニアと腎臓病だけに限定する必要はありません。この論文のもうひとりの共同執筆者で、カリフォルニア大学アマースト校の微生物学研究教授である植木俊之氏は、「目的の分子に特異的に結合するユニークなペプチドを設計することが可能です」と言う。つまり、体内から放出されるトレーサー分子で、特定の病気に特異的なものがもっとたくさん見つかれば、数百種類の化学物質を嗅ぎ分けるナノワイヤーを組み込んだセンサーを作って、あらゆる種類の健康状態をモニターすることができます。”
<関連情報>
- https://www.umass.edu/news/article/umass-amherst-researchers-invent-electronic-nose-built-sustainably-sourced-microbial
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566323000891
遺伝子組換えペプチドをリガンドとする微生物ナノワイヤーによる持続的な電子センシングデバイスの作製 Microbial nanowires with genetically modified peptide ligands to sustainably fabricate electronic sensing devices
Yassir Lekbach, Toshiyuki Ueki, Xiaomeng Liu, Trevor Woodard, Jun Yao, Derek R. Lovley
Biosensors and Bioelectrics Available online: 10 February 2023
DOI:https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115147
Highlights
- •An E. coli chassis was used to produce protein nanowires from Geobacter pilin.
- •Pilin gene was modified to express pilin with peptide ligands for binding analytes.
- •Sensors were constructed from thin films of the protein nanowires.
- •Modifying nanowires with peptide ligands increased sensor sensitivity 100-fold.
- •Sustainably produced protein nanowires have advantages over traditional nanowires.
Abstract
Nanowires have substantial potential as the sensor component in electronic sensing devices. However, surface functionalization of traditional nanowire and nanotube materials with short peptides that increase sensor selectivity and sensitivity requires complex chemistries with toxic reagents. In contrast, microorganisms can assemble pilin monomers into protein nanowires with intrinsic conductivity from renewable feedstocks, yielding an electronic material that is robust and stable in applications, but also biodegradable. Here we report that the sensitivity and selectivity of protein nanowire-based sensors can be modified with a simple plug and play genetic approach in which a short peptide sequence, designed to bind the analyte of interest, is incorporated into the pilin protein that is microbially assembled into nanowires. We employed a scalable Escherichia coli chassis to fabricate protein nanowires that displayed either a peptide previously demonstrated to effectively bind ammonia, or a peptide known to bind acetic acid. Sensors comprised of thin films of the nanowires amended with the ammonia-specific peptide had a ca. 100-fold greater response to ammonia than sensors made with unmodified protein nanowires. Protein nanowires with the peptide that binds acetic acid yielded a 4-fold higher response than nanowires without the peptide. The protein nanowire-based sensors had greater responses than previously reported sensors fabricated with other nanomaterials. The results demonstrate that protein nanowires with enhanced sensor response for analytes of interest can be fabricated with a flexible genetic strategy that sustainably eliminates the energy, environmental, and health concerns associated with other common nanomaterials.
