건강 모니터링에 혁명을 일으킬 수 있는 지속 가능한 방식으로 공급되는 미생물 나노와이어로 제작된 '전자 코' 녹색 기술의 혁신은

[아름이]

건강 모니터링에 혁명을 일으킬 수 있는 지속 가능한 방식으로 공급되는 미생물 나노와이어로 제작된 '전자 코'
녹색 기술의 혁신은 전기 공학의 새로운 생물학적 패러다임을 나타냅니다.
날짜:
2023년 2월 22일
원천:
매사추세츠 대학교 애머스트
요약:
과학자들은 최근 일반 박테리아에 의해 값싸게 자랄 수 있고 광범위한 의료 문제로 고통받는 사람들이 발산하는 것을 포함하여 다양한 화학 추적자를 '냄새 맡도록' 조정될 수 있는 인간의 머리카락보다 10,000배 더 얇은 나노와이어의 발명을 발표했습니다. 천식 및 신장 질환과 같은 상태. 각기 다른 화학 물질을 탐지하는 특수하게 조정된 수천 개의 전선을 작은 웨어러블 센서에 겹쳐서 의료 제공자가 잠재적인 건강 합병증을 모니터링할 수 있는 전례 없는 도구를 사용할 수 있습니다. 이 와이어는 박테리아에 의해 성장하기 때문에 유기적이고 생분해되며 무기 나노 와이어보다 훨씬 친환경적입니다.

전체 이야기
매사추세츠 애머스트 대학(University of Massachusetts Amherst)의 과학자들은 최근 인간의 머리카락보다 10,000배 더 얇은 나노와이어를 발명했다고 발표했습니다. 이 나노와이어는 일반 박테리아에 의해 저렴하게 성장할 수 있으며 주어진 것을 포함하여 다양한 화학 추적자 "냄새"를 맡을 수 있습니다. 천식 및 신장 질환과 같은 다양한 의학적 상태로 고통받는 사람들에 의해 꺼집니다. 각기 다른 화학 물질을 감지하는 특수하게 조정된 수천 개의 전선을 작은 웨어러블 센서에 겹쳐서 의료 제공자가 잠재적인 건강 합병증을 모니터링할 수 있는 전례 없는 도구를 사용할 수 있습니다. 이 와이어는 박테리아에 의해 성장하기 때문에 유기적이고 생분해되며 무기 나노 와이어보다 훨씬 친환경적입니다.

Biosensors and Bioelectrics 저널에 자세히 설명된 이러한 혁신을 이루기 위해 수석 저자인 Derek Lovley(UMass Amherst의 미생물학 교수)와 Jun Yao(UMass Amherst 공과 대학의 전기 및 컴퓨터 공학 교수)는 다음을 살펴봐야 했습니다. 그들 자신의 코보다 더 멀리. "인간의 코에는 각각 하나의 특정 분자에 민감한 수백 개의 수용체가 있습니다."라고 Yao는 말합니다. "그들은 조작될 수 있는 어떤 기계적 또는 화학적 장치보다 훨씬 더 민감하고 효율적입니다. 우리는 합성 물질에 의존하지 않고 생물학적 설계 자체를 활용할 수 있는 방법을 궁금해했습니다."

즉, 팀은 질병을 탐지하기 위해 자연과 협력할 수 있을지 궁금해했고, 그들이 그렇게 했다는 것이 밝혀졌습니다.

답은 Geobactersulfurreducens 로 알려진 박테리아에서 시작됩니다 . Lovley와 Yao는 이전에 땀에서 장기적이고 지속적인 전기를 생성할 수 있는 생물막을 만드는 데 사용했습니다. G.sulfurreducens '는 작은 전기 전도성 나노와이어를 성장시키는 놀라운 자연적 능력을 가지고 있습니다.

그러나 G.sulfurreducens 는 특정 성장 조건을 필요로 하는 까다로운 박테리아이므로 대규모로 사용하기가 어렵습니다. Lovley는 "우리가 한 일은 G.sulfurreducens 에서 필린이라고 하는 '나노와이어 유전자'를 가져와 세계에서 가장 널리 퍼진 박테리아 중 하나인 대장균 의 DNA에 연결하는 것"이라고 말했습니다. ."

필린 유전자가 G.sulfurreducens 에서 제거되면 Lovley, Yao 및 팀은 암모니아에 극도로 민감한 DLESFL로 알려진 특정 펩타이드를 포함하도록 수정했습니다. 질병. 그런 다음 변형된 필린 유전자를 대장균 의 DNA에 접합시켰을 때 유전적으로 변형된 박테리아는 암모니아 감지 펩타이드로 가득찬 작은 ​​나노와이어를 싹텄습니다. 그런 다음 팀은 이러한 암모니아에 민감한 나노 와이어를 수확하여 센서에 내장했습니다.

"나노와이어를 유전자 변형하면 원래보다 암모니아에 100배 더 잘 반응하게 됩니다. "미생물이 생산한 나노와이어는 기존의 실리콘 또는 금속 나노와이어로 제작된 이전에 설명한 센서보다 센서로서 훨씬 더 잘 작동합니다."

그리고 이 새로운 센서를 암모니아와 신장 질환에만 국한할 필요가 없습니다. 이 논문의 다른 공동 저자이자 UMass Amherst의 미생물학 연구 교수인 Toshiyuki Ueki는 "독특한 펩타이드를 설계하는 것이 가능하며, 각각의 펩타이드는 관심 있는 분자에 특이적으로 결합합니다. 특정 질병에 특정한 것이 식별되면 모든 종류의 건강 상태를 모니터링하기 위해 수백 가지의 서로 다른 화학물질 스니핑 나노와이어를 통합하는 센서를 만들 수 있습니다."

전기 공학의 새로운 패러다임

실리콘이나 탄소 섬유로 만든 기존의 나노와이어는 매우 독성이 강할 수 있습니다. 탄소 나노튜브 자체가 발암 물질이기 때문에 결국 생분해되지 않는 전자 폐기물이 됩니다. 원재료는 수확 및 가공에 막대한 양의 에너지 및 화학 물질 투입이 필요할 뿐만 아니라 환경에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 그러나 Lovley와 Yao의 나노와이어는 일반적인 박테리아에서 자라기 때문에 훨씬 더 지속 가능합니다.

Yao는 "이 연구 분야에서 가장 흥미로운 점 중 하나는 우리가 근본적으로 새로운 방향으로 전기 공학을 도입하고 있다는 것입니다. 생분해되지 않는 희소한 원자재로 만든 전선 대신 단백질 나노와이어는 생명의 유전적 디자인을 사용하여 안정적이고 다재다능하며 영향이 적고 비용 효율적인 플랫폼을 구축할 수 있다는 것입니다."

이 연구는 국립과학재단(National Science Foundation)의 지원을 받고 UMass Amherst의 IALS(Institute for Applied Life Sciences)에서 지원했습니다. 이 연구소는 29개 부서의 심도 있는 학제간 전문 지식을 결합하여 기초 연구를 인간의 건강과 웰빙에 도움이 되는 혁신으로 전환합니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/