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녹색 기술의 혁신은 전기 공학의 새로운 생물학적 패러다임을 나타냅니다.
매사추세츠 대학 애머스트(Amherst)의 과학자들은 최근 일반적인 박테리아에 의해 저렴하게 자랄 수 있고, 질병에 걸린 사람들이 발산하는 것을 포함하여 다양한 화학 추적자를 “냄새 맡도록” 조정될 수 있는 인간의 머리카락보다 10,000배 더 얇은 나노와이어를 발명했다고 발표했습니다. 천식 및 신장 질환과 같은 광범위한 의학적 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.
Biosensors and Bioelectrics 저널에 자세히 설명된 이러한 혁신을 이루기 위해 수석 저자인 Derek Lovley(UMass Amherst 미생물학 교수)와 Jun Yao(UMass Amherst 공과대학 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. “그것들은 조작될 수 있는 어떤 기계적 또는 화학적 장치보다 훨씬 더 민감하고 효율적입니다. 우리는 합성 물질에 의존하지 않고 생물학적 디자인 자체를 어떻게 활용할 수 있을지 궁금했습니다.”
즉, 팀은 질병을 탐지하기 위해 자연과 협력할 수 있는지 궁금해했으며, 실제로 그렇게 했다는 것이 밝혀졌습니다.
답은 Geobactersulfurreducens로 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.sulfurreducens는 특정 성장 조건을 필요로 하는 까다로운 박테리아이므로 대규모로 사용하기가 어렵습니다. Lovley는 “우리가 한 일은 G.sulfurreducens에서 pilin이라고 하는 ‘나노와이어 유전자’를 가져와 세계에서 가장 널리 퍼진 박테리아 중 하나인 Escherichia coli의 DNA에 연결하는 것입니다.”라고 말합니다.
필린 유전자가 G.sulfurreducens에서 제거되면 Lovley, Yao 및 팀은 DLESFL로 알려진 특정 펩타이드를 포함하도록 수정했습니다. 그런 다음 변형된 필린 유전자를 대장균의 DNA에 접합시켰을 때 유전적으로 변형된 박테리아는 암모니아 감지 펩타이드로 가득 찬 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 이러한 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 분자에 특이적으로 결합합니다. 따라서 신체에서 방출되고 특정 질병에 특정한 더 많은 추적 분자가 식별됨에 따라 모든 종류의 건강 상태를 모니터링하기 위해 수백 개의 서로 다른 화학 물질 스니핑 나노와이어를 통합하는 센서를 만들 수 있습니다.”
전기 공학의 새로운 패러다임
실리콘이나 탄소 섬유로 만든 기존의 나노와이어는 매우 독성이 강할 수 있으며(탄소 나노튜브 자체가 발암 물질임) 결국 생분해되지 않는 전자 폐기물이 됩니다. 그들의 원료는 수확 및 처리에 막대한 양의 에너지 및 화학 물질 투입이 필요할 뿐만 아니라 환경에 깊은 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 전기 공학을 근본적으로 새로운 방향으로 이끌고 있다는 것입니다. 생분해되지 않는 희소한 천연 자원으로 만든 전선 대신, 이 단백질 나노선의 장점은 생명의 유전적 디자인을 사용하여 안정적이고 다재다능하며 영향이 적고 비용 효율적인 플랫폼을 구축할 수 있다는 것입니다.”
원본 기사: 연구원은 건강 모니터링을 혁신하기 위해 미생물 나노 와이어로 “전자 코”를 발명
더 보기: 매사추세츠 대학교
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