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案列分享 | 被电击的细菌更导电吗?AFM告诉您

研究人员利用原子力显微镜多样化的功能模块对由硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens组成的生物薄膜进行了纳米级的表征。他们发现当处于一定电场中时,这种细菌生产的蛋白质纳米线要比正常状态下具有更高的导电性以及刚度。而如果细菌处于酸性环境,则这一特性可以被进一步增强。
具有电学活性的活体材料具有很好的发展前景,可以应用于带有自我复制功能的生物相容电子器件。但是目前已知的只有少数的生物系统可以用于转移电荷,且具体的传导机理仍未完全确定。
来自耶鲁大学(Yale University)的研究人员以硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens,一种常见的土壤细菌,作为样本研究了这一热点问题。此前的研究表明,这种细菌的导电特性是利用了由蛋白质OmcS组成的导电纳米线来转移在呼吸过程中产生的过剩电子。然而,耶鲁大学的工作人员发现当硫还原地杆菌生物薄膜处于一定电场中时,它们产生的纳米线是由另一种蛋白质OmcZ组成的。
研究人员利用了AFM全面的功能模块,分别对纳米线的结构纳米电学以及纳米力学特性进行了表征。他们发现OmcZ纳米线的导电性和刚度分别是OmcS纳米线的1000倍和3倍。而当他们降低pH值时,OmcZ纳米线的导电性和刚度甚至有了进一步的提升,同时这也意味着当纳米线处于通常会降解蛋白质的酸性环境中时,仍能保持功能性。
由于这种纳米线具备着将机械和化学刺激转化为电学信号的能力,再加上文中发现的纳米线的优越性能,它们可以被应用于新型耐用的、具有自愈功能的生物型电子器件中。

Instrument used

Cypher ES with Dual Gain ORCA module and AM-FM Viscoelastic Mapping Mode

Techniques used

文中所有AFM实验均是由牛津仪器快速扫描AFM Cypher ES实现的。所用到的功能模块包括气相环境下的轻敲模式成像。Cypher ES高分辨率的特点保证了对于纳米线亚纳米级直径的测量的准确性,并使得研究人员可以实时观察到纳米线结构的转变。他们还利用了双通道导电AFM(Dual Gain ORCA)模块,在纳米线上选点进行了电流-电压曲线测试(CAFM, I-V Curves)。这一双通道导电模块具有两个独立的不同灵敏度的低噪声运算放大器,可以在很大的范围内(~1 pA to 10 µA).准确地测量电流信号。研究人员还进一步利用AM-FM粘弹性成像模块对纳米线的杨氏模量进行了表征。AM-FM模块是牛津仪器特有的双频激励AFM技术,是一种可以很好的保护样品同时又能准确测得模量信息的快速成像模块。

参考文献: S. Yalcin, J. O’Brien, Y. Gu et al., Electric field stimulates production of highly conductive microbial OmcZ nanowires. Nat. Chem. Biol. 16, 1136 (2020). https://doi.org/10.1038/s41589-020-0623-9

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