Расплавление белковой оболочки бактериофага превращает его в крошечную электростанцию, что может послужить толчком к открытию новых биоинженерных устройств.
Наше тело живет благодаря электрическим сигналам, которые позволяют нам сокращать мышцы и ощущать окружающий мир. Этими процессами управляет сложный мозг, но, как оказалось, электричество вырабатывают даже более простые биологические организмы. В новом исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials, ученые сообщили, что биоинженерный вирус генерирует электричество под воздействием тепла - явление, известное как пироэлектричество. Работая с вирусами, исследователи надеются лучше понять биоэлектричество в человеческом организме и применить эти знания для создания новых биоматериалов.
Изучение биоэлектричества началось еще в XVIII веке, когда Луиджи Гальвани обнаружил, что электрическая стимуляция вызывает сокращение мышц у лягушек. "Но до сих пор мы не понимаем, как это биоэлектрическое явление происходит на молекулярном уровне", - отмечает Сеунг-Вук Ли, биоинженер из Калифорнийского университета и соавтор статьи.
Бактериофаг M13 - стержнеобразный вирус, заражающий бактерии, - украшен молекулярной оболочкой, сотканной из почти 3 000 копий спиралевидного белка. Внутри белок заряжен положительно, а снаружи - отрицательно, но расположение толстой белковой оболочки уравновешивает заряды. Более десяти лет назад исследовательская группа Ли надавила на белки оболочки, в результате чего бактериофаги стали проявлять пьезоэлектричество - способность преобразовывать механическую силу в электричество. Когда исследователи оказывали давление на вирусы, белки оболочки меняли форму, нарушая симметрию зарядов и становясь поляризованными, что создавало электрическое поле и индуцировало ток.
В новом исследовании ученые попытались выяснить, можно ли аналогичным образом использовать тепло для смещения заряда и выработки электричества. Они изменили генетический код вирусов, включив в него специфическую последовательность белков, притягивающихся к никелю. Таким образом, вирусы связывались с тонкой пластиной, покрытой никелем, и вставали на нее прямо, как городские кварталы небоскребов. Затем эти вирусные города подвергались тепловому воздействию - с помощью нагревания или лазера. По мере того как белки плавились и разворачивались, их заряды разбалансировались, создавая напряжение. "Тепло вызывало изменение поляризации, а изменение поляризации вызывало электрический потенциал", - пояснил Ли.
Хотя встречающийся в природе спиралевидный белок обладает некоторым пироэлектричеством, исследователи хотели выяснить, можно ли придать молекулам дополнительную энергию. Для этого они генетически изменили бактериофаг, добавив во внешнюю часть белка оболочки нить глутамата - отрицательно заряженного строительного блока белков. Когда исследователи увеличили температуру, добавленный глутамат усилил изменение поляризации, более чем вдвое превысив пироэлектрические свойства обычного белка. "Сам факт того, что они смогли генетически модифицировать вирус и сделать его пироэлектрическим, - это потрясающая работа", - считает Саид Тофаил, физик из Лимерикского университета, не принимавший участия в исследовании.
Чтобы продемонстрировать практическое применение своего "суперзаряженного" вируса, команда Ли сгенерировала электрические сигналы, сигнализирующие о наличии опасных химических веществ. Для этого они сконструировали белковую оболочку вируса таким образом, чтобы она связывала ксилол. Затем, когда бактериофаги подвергались тепловой обработке, белки изменяли свою форму и вырабатывали больше электричества. По мнению авторов, обнаруживая эту разницу в электричестве, вирусы могут выступать в качестве биосенсоров вредных газов.
"В настоящее время пироэлектричество наиболее успешно применяется в пироэлектрических датчиках", - заметил Тофаил, добавив, что для изготовления пироэлектрических датчиков используются свинец или литий, поэтому биологические материалы привлекательны тем, что они являются более экологичными материалами.
Хотя напряжение, обнаруженное исследователями при нагревании вирусов, было небольшим, они планируют увеличить его для питания более сложной электроники. Поскольку вирусы M13 самовоспроизводятся, ученые имеют возможность увеличить общее количество вирусов, и "мы можем усилить электричество аналогичным образом", - говорит Ли. "Это серьезный стимул".
