Ученые сконструировали гибридный бионаноэлектронный транзистор, который питается от молекулы АТФ, или аденозинтрифосфата, источника энергии живых клеток. Исследователи, Александр Ной (Aleksandr Noy) и его коллеги из Ливерморской национальной лаборатории (Lawrence Livermore National Lab), утверждают, что новый транзистор представляет собой первую интегральную биоэлектронную систему и может обеспечить взаимодействие электроники и живого организма.

«Я надеюсь, что такого рода технологии будут использованы для создания биоэлектронных интерфейсов, способных усовершенствовать коммуникацию между живыми организмами и машинами», – говорит Ной.

Питающийся энергией АТФ транзистор состоит из углеродной нанотрубки, натянутой между двумя электродами. Концы нанотрубки покрыты изоляционным полимерным слоем, а вся система целиков – липидным бислоем, подобным бислою клеточных мембран.

Когда ученые подают напряжение на электроды и наливают на устройство раствор, содержащий АТФ и ионы калия и натрия, возникает текущий через электроды ток. Чем больше в растворе АТФ, тем сильнее ток.

Как объясняют ученые, устройство работает благодаря белку в липидном бислое, который в присутствии молекул АТФ функционирует как ионный насос.

«Белок ионного насоса является важнейшим элементом нашего устройства», – объясняет Ной. «В ходе каждого цикла он гидролизует одну молекулу АТФ и перекачивает 3 иона натрия в одном направлении и 2 иона калия в противоположном».

В результате происходит перенос через липидный бислой к нанотрубке одного заряда. Ионы создают электрическое поле вокруг не покрытой изоляционным слоем части нанотрубки, увеличивая ее проводимость пропорционально силе поля. Когда запас молекул АТФ иссекает, ионы начинают просачиваться через мембрану в обратном направлении, и электрический ток ослабевает.

Другими словами, система работает посредством преобразования механической энергии движения ионов, измеряемой в наномасштабе, в электричество. Таким образом, транзистор может быть использован для создания электронных устройств, которые получают энергию и регулируются биологическими сигналами. Например, с его помощью можно создать электронику, постоянно находящуюся в организме и не требующую батареек или внешних источников питания, а также протезы, которые могут быть подключены непосредственно к нервной системе. Такие транзисторы можно использовать и при разработке сенсоров для мониторинга внутриклеточного метаболизма.

Гибридный бионаноэлектронный транзистор, имеющий локальный белковый канал, получающий энергию от АТФ. АТФ-зависимая активность мембранного ионного насоса, Na+/K±АТФаза, встроенного в покрывающую углеродную нанотрубку липидную мембрану, модулирует производимый ток до 40%. Такой транзистор представляет собой универсальную бионаноэлектронную платформу, в которую могут быть встроены разные мембранные белки.

Аннотация к статье Shih-Chieh J. Huang, et al. Carbon Nanotube Transistor Controlled by a Biological Ion Pump Gate