Un nuevo sensor químico altamente sensible utiliza nanocables de proteína

El equipo de UMass Amherst presenta un sensor electrónico "verde" de alto rendimiento

15.05.2020 - Estados Unidos

Escribiendo en la revista NanoResearch, un equipo de la Universidad de Massachusetts Amherst informa que han desarrollado sensores bioelectrónicos de gas de amoníaco que están entre los más sensibles jamás fabricados.

El sensor utiliza nanocables proteínicos conductores de carga eléctrica derivados de la bacteria Geobacter para proporcionar biomateriales para dispositivos eléctricos. Hace más de 30 años, el autor principal y microbiólogo Derek Lovley descubrió la Geobacter en el lodo del río. Los microbios cultivan filamentos proteínicos parecidos al pelo que funcionan como "cables" a nanoescala para transferir cargas para su alimentación y para comunicarse con otras bacterias.

El primer autor y estudiante de doctorado en ingeniería biomédica Alexander Smith, junto con su asesor Jun Yao y Lovley, dicen que diseñaron este primer sensor para medir el amoníaco porque ese gas es importante para la agricultura, el medio ambiente y la biomedicina. Por ejemplo, en los seres humanos, el amoníaco en el aliento puede ser una señal de enfermedad, mientras que en la avicultura, el gas debe ser monitoreado y controlado de cerca para la salud y comodidad de las aves y para evitar desequilibrios en la alimentación y pérdidas de producción.

Yao dice, "Este sensor te permite hacer sensores de alta precisión; es mucho mejor que los anteriores sensores electrónicos". Smith añade, "Cada vez que hago un nuevo experimento, me sorprendo gratamente. No esperábamos que funcionaran tan bien como lo han hecho. Realmente creo que podrían tener un verdadero impacto positivo en el mundo".

Smith dice que los sensores electrónicos existentes a menudo tienen una sensibilidad limitada o baja, y son propensos a la interferencia de otros gases. Además de una función superior y un bajo costo, añade, "nuestros sensores son biodegradables, por lo que no producen desechos electrónicos, y son producidos de manera sostenible por bacterias utilizando materias primas renovables sin necesidad de productos químicos tóxicos".

Smith llevó a cabo los experimentos durante los últimos 18 meses como parte de su trabajo de doctorado. Se sabía por los estudios anteriores de Lovley que la conductividad de los nanocables de la proteína cambió en respuesta al pH - el nivel de ácido o base - de la solución alrededor de los nanocables de la proteína. Esto movió a los investigadores a probar la idea de que podrían ser altamente sensibles a la unión de moléculas para la biosensibilidad. "Si los expones a un químico, las propiedades cambian y puedes medir la respuesta", señala Smith.

Cuando expuso los nanocables al amoníaco, "la respuesta fue realmente notable y significativa", dice Smith. "Al principio, descubrimos que podíamos afinar los sensores de forma que mostraran esta respuesta significativa. Son realmente sensibles al amoníaco y mucho menos a otros compuestos, por lo que los sensores pueden ser muy específicos."

Lovley añade, que los nanocables "muy estables" duran mucho tiempo, el sensor funciona de forma consistente y robusta después de meses de uso, y funciona tan bien "que es notable".

Yao dice, "Estos nanocables de proteínas siempre me sorprenden. Este nuevo uso es en un área completamente diferente a la que habíamos trabajado antes". Anteriormente, el equipo ha reportado el uso de nanocables proteínicos para cosechar la energía de la humedad y aplicarlos como "memristores" para la computación biológica.

Smith, que se autodenomina "emprendedor", ganó el primer lugar en el Desafío de Innovación 2018 de UMass Amherst por el plan de negocios inicial de la empresa que formó con Yao y Lovley, e-Biologics. Los investigadores han seguido con una solicitud de patente, recaudación de fondos, desarrollo empresarial y planes de investigación y desarrollo.

Lovley dice: "Este trabajo es la primera prueba de concepto del sensor de nanoalambre. Una vez que volvamos al laboratorio, desarrollaremos sensores para otros compuestos. Estamos trabajando en la sintonización de ellos para una serie de otros compuestos".

El apoyo para el trabajo llegó como una beca de CARRERA y de Investigación de Posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Comercialización de Tecnología y Empresas de UMass Amherst y el Centro de Manufactura Jerárquica del campus, un Centro de Ciencia e Ingeniería a Nanoescala financiado por la NSF.

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