वैज्ञानिक प्रकृति के नैनोवायरों से इलेक्ट्रॉनिक्स बनाते हैं

जर्नल में प्रकाशित यह अध्ययन प्रकृति संचार, येल विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं से आता है। अध्ययन के विवरण और खोज के प्रभावों का और पता लगाने के लिए, दिलचस्प इंजीनियरिंग ने पेपर के वरिष्ठ लेखक निखिल मालवंकर से बात की, येल के माइक्रोबियल साइंसेज इंस्टीट्यूट में आण्विक बायोफिजिक्स और बायोकैमिस्ट्री के सहयोगी प्रोफेसर, जहां वह मालवंकर प्रोटीन नैनोवायर लैब के प्रमुख हैं।

नैनोवायर कैसे काम करते हैं?

अनिवार्य रूप से, सभी जीवित चीजों को पोषक तत्वों को ऊर्जा में परिवर्तित करने की प्रक्रिया के दौरान अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालने के लिए ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है। लेकिन क्या होता है अगर ऑक्सीजन तक पहुंच न हो, उदाहरण के लिए, मिट्टी में या समुद्र के तल पर गहराई में? यह बहुत छोटे प्रोटीन फिलामेंट्स या “नैनोवायर्स” के माध्यम से अनिवार्य रूप से “श्वास खनिजों” द्वारा इस विवाद के अनुकूल कुछ बैक्टीरिया को बदल देता है।

इसके अलावा, वैज्ञानिकों को एक विशेष बैक्टीरिया मिला जिसे औद्योगिक पैमाने पर इन नैनोवायरों का उत्पादन करने के लिए हेरफेर किया जा सकता है। जैसा कि प्रोफेसर मालवणकर ने कहा, उन्होंने पाया कि “जियोबैक्टर नामक बैक्टीरिया अरबों वर्षों में विकसित हुआ है कि इलेक्ट्रॉनिक रूप से बाहरी दुनिया के साथ कैसे इंटरफेस किया जाए” नैनोवायरों का उपयोग करके “हीम” अणुओं की श्रृंखलाओं का उपयोग किया जाता है जैसे कि हमारे रक्त में ऑक्सीजन ले जाते हैं। लेकिन इसके बजाय, जियोबैक्टर के हेम्स बिजली स्थानांतरित करते हैं। माइक्रोमीटर-लंबी हीम श्रृंखलाएं इलेक्ट्रॉनों के लिए एक सतत पथ प्रदान करती हैं।

जब बैक्टीरिया में प्रकाश डाला जाता है, तो “आपको वास्तव में लगभग 100 गुना अधिक बिजली मिलती है,” मालवणकर ने खुलासा किया।

गुप्त सामग्री

जियोबैक्टर यह कैसे करता है? चूंकि जियोबैक्टर एक बहुत ही सामान्य बैक्टीरिया है, जो हमारे पैरों के नीचे की जमीन में पाया जाता है, मालवंकर का मानना ​​है कि यह उनके लिए हल करने के लिए मुख्य बाधा समस्या का समाधान प्रदान करता है – “हम बड़े पैमाने पर इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ रहने वाले सिस्टम को कुशलतापूर्वक कैसे जोड़ सकते हैं ?”

साइटोक्रोम ओएमसीएस के रूप में जाना जाने वाला धातु युक्त प्रोटीन की उनकी खोज में कुंजी निहित है, जो एक प्राकृतिक फोटोकॉन्डक्टर के रूप में कार्य करता है। मालवणकर के अनुसार यह उनकी मुख्य खोज थी। धातु वह है जो जीवाणु नैनोवायरों को उच्च-इलेक्ट्रॉन चालकता प्रदान करती है।

“वे एक असली तार की तरह दिखते हैं। हीम अणु एक तार की तरह होता है और प्रोटीन तार के चारों ओर इन्सुलेशन की तरह होता है, ”वैज्ञानिक ने इसकी तुलना करते हुए कहा कि हमारे फोन चार्जर्स में इंसुलेशन कैसे होता है।

कुछ जीवाणुओं को नैनोवायरों की आवश्यकता क्यों होती है?

मालवणकर के अनुसार, एक बायोकेमिस्ट अल्बर्ट सजेंट-ग्योर्गी द्वारा “जीवन कुछ भी नहीं बल्कि आराम करने के लिए जगह की तलाश में एक इलेक्ट्रॉन है” उद्धरण में निहित है, जिन्होंने ऑक्सीजन चयापचय चक्र की खोज की और 1937 में “फिजियोलॉजी या” नोबेल पुरस्कार जीता। दवा। ”

बढ़ते नैनोवायर बैक्टीरिया को ऑक्सीजन की उपस्थिति के बिना जीवित रहने की अनुमति देते हैं। बैक्टीरिया इलेक्ट्रॉनों को भेजने के लिए तारों का उपयोग करते हैं, जिससे उन्हें बहुत बड़े क्षेत्र तक पहुंचने की अनुमति मिलती है। नैनोवायरों के बीच तेजी से इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण के कारण प्रकाश बैक्टीरिया द्वारा श्वसन को तेज करता है।

मालवणकर ने साझा किया, “इस काम के बारे में जो बात मुझे उत्साहित करती है, वह यह है कि यह एक जीवित प्रणाली में इलेक्ट्रॉनों की कितनी दूर जा सकता है,” यह कहते हुए कि “आमतौर पर, मनुष्यों में, एक इलेक्ट्रॉन केवल एक नैनोमीटर, या एक मीटर के एक अरबवें हिस्से से अधिक जा सकता है। , क्योंकि प्रोटीन बहुत लंबे समय तक इलेक्ट्रॉनों को गतिमान करने में बहुत अच्छे नहीं होते हैं। जबकि यहां इलेक्ट्रान सैकड़ों माइक्रोमीटर जा सकते हैं।” यह इसे लगभग कई मिलियन गुना लंबा बनाता है, सभी नैनोवायरों के नेटवर्क के लिए धन्यवाद।

नैनोवायर कैसे बनते हैं

मालवणकर ने साझा किया कि वे अब इन बहुक्रियाशील “जीवित इलेक्ट्रॉनिक्स” का उत्पादन बहुत तेज दर और कम लागत पर कर सकते हैं।

तारों में सामग्री का एक बड़ा प्लस यह है कि यह उपयोगी गुणों को जोड़ती है – यह स्वयं-मरम्मत, लचीला, बायोडिग्रेडेबल और गैर-विषाक्त है। मालवणकर ने इसकी तुलना सिलिकॉन से की, जो कुछ शर्तों के तहत अच्छा काम करता है, जबकि नैनोवायर और भी अधिक लचीले होते हैं। वे कई अलग-अलग और चरम वातावरण में काम कर सकते हैं – उच्च और बेहद कम तापमान पर, या कम अम्लता की स्थितियों में – जबकि बहुत स्थिर और मजबूत रहते हैं।

जहां तक ​​उत्पादन की बात है, नैनोवायर अब प्रयोगशाला में उगाए जा सकते हैं और जीवित न होने पर भी अपने गुणों को बरकरार रखेंगे।

वैज्ञानिक तारों को विकसित करने के लिए बैक्टीरिया का उपयोग कर सकते हैं, फिर उन्हें “ब्लेंडर में” डाल सकते हैं, बैक्टीरिया से छुटकारा पा सकते हैं और केवल “शुद्ध फिलामेंट्स – तार जो तब उपयोग किए जाने के लिए पर्याप्त स्थिर होते हैं” छोड़ देते हैं।

नैनोवायरों के लिए संभावित अनुप्रयोग क्या हैं?

मालवणकर अपने द्वारा विकसित किए जा रहे बायोमैटिरियल्स के लिए कई रोमांचक अनुप्रयोगों को देखते हैं, जो इस तरह की अन्य मौजूदा तकनीकों की तुलना में सस्ता, तेज और अधिक सटीक होगा।

ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को संबोधित करने में नैनोवायर बहुत उपयोगी हो सकते हैं, जो बढ़ते तापमान और ग्रह के गर्म होने का कारण बनते हैं। चूंकि वे इलेक्ट्रोजेनेटिक्स के नवजात क्षेत्र (जो जैविक प्रक्रियाओं को नियंत्रित करने के लिए इलेक्ट्रोस्टिम्यूलेशन का उपयोग करते हैं) विकसित करते हैं, शोधकर्ताओं का लक्ष्य यह पता लगाना है कि मीथेन को वायुमंडल में छोड़ने से रोकने के लिए समुद्र तल पर इलेक्ट्रिक ग्रिड को कैसे सक्रिय किया जाए।

जैसा कि मालवणकर ने विस्तार से बताया, वे “समुद्र या मिट्टी में इलेक्ट्रोड लगाने की उम्मीद करते हैं, और उन इलेक्ट्रोड का उपयोग बैक्टीरिया के बीच इन विद्युत कनेक्शनों को प्रेरित करने के लिए किया जाएगा। और यह एक तरीका हो सकता है जिससे हम स्थानीय रूप से पर्यावरण में मीथेन की रिहाई को रोक सकते हैं, या स्थानीय रूप से, आप जानते हैं, जहरीले दूषित पदार्थों के वातावरण को साफ करते हैं। इसलिए, यदि कोई तेल रिसाव होता है, तो यह जीवाणु तेल को खा सकता है। इसलिए हम इन इलेक्ट्रोडों को सम्मिलित करके उस प्रक्रिया को स्थानीय रूप से तेज कर सकते हैं।”

ग्लूकोज या ऑक्सीजन के स्तर को मापने वाले स्व-संचालित शरीर सेंसर की एक नई पीढ़ी के निर्माण के माध्यम से डीएनए अनुक्रमण, कंप्यूटिंग, प्रकाश-कटाई, या स्वास्थ्य निगरानी में उपयोग के लिए नैनोवायर एक क्रांतिकारी उपकरण भी हो सकते हैं।

इन तारों का एक अन्य अनुप्रयोग इस तथ्य से उपजा है कि “वे ऐसे गुण दिखाते हैं जो किसी अन्य प्रोटीन ने पहले नहीं दिखाए हैं”, वैज्ञानिक के अनुसार। उनकी प्रयोगशाला जिन तारों पर काम कर रही है, वे बहुत अनुकूल हैं, विशेष रूप से बहुत कम तापमान पर अच्छा प्रदर्शन करते हैं। जब वैज्ञानिकों ने उन्हें ठंडा किया, तो इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण वास्तव में लगभग 300 गुना बढ़ गया। यह कम तापमान वाले सेंसर या अन्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए काम कर सकता है जिन्हें चरम स्थितियों में प्रदर्शन करने की आवश्यकता होती है।

ऐसी ही एक चरम स्थिति बाहरी अंतरिक्ष हो सकती है – विशेष रूप से मंगल ग्रह की खोज। यह संभव हो सकता है, मालवंकर ने अनुमान लगाया, मंगल के उपनिवेश के लिए आवश्यक विशिष्ट रसायनों, जैव ईंधन, या पोषक तत्वों का उत्पादन करने के लिए जीवाणु नैनोवायरों को प्रेरित करने के लिए अपने तरीकों का उपयोग करने के लिए। यह भी पता चल सकता है कि मंगल, जिसकी मिट्टी विशेष रूप से लोहे से समृद्ध है, की सतह पर पहले से ही ऐसे बैक्टीरिया मौजूद हैं। इसे सक्रिय करने के लिए अपनी तकनीकों का उपयोग करके, वैज्ञानिक “मूल रूप से नकल करने में सक्षम हो सकते हैं कि हमने पृथ्वी पर जीवन कैसे विकसित किया,” मालवंकर ने प्रस्तावित किया।

सार का अध्ययन करें:

प्रकाश-प्रेरित माइक्रोबियल इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण में विविध चयापचय मार्गों के कारण मूल्य वर्धित रसायनों, जैव ईंधन और बायोडिग्रेडेबल सामग्री के कुशल उत्पादन की क्षमता है। हालांकि, अधिकांश रोगाणुओं में फोटोएक्टिव प्रोटीन की कमी होती है और उन्हें सिंथेटिक फोटोसेंसिटाइज़र की आवश्यकता होती है जो फोटोकॉर्शन, फोटोडिग्रेडेशन, साइटोटोक्सिसिटी और फोटोएक्साइटेड रेडिकल्स की पीढ़ी से पीड़ित होते हैं जो कोशिकाओं के लिए हानिकारक होते हैं, इस प्रकार उत्प्रेरक प्रदर्शन को गंभीर रूप से सीमित कर देते हैं। इसलिए, रोगाणुओं और इलेक्ट्रोड के बीच कुशल इलेक्ट्रॉनिक इंटरफेस के लिए बायोकंपैटिबल फोटोकॉन्डक्टिव सामग्री की तत्काल आवश्यकता है। यहां हम दिखाते हैं कि जियोबैक्टर सल्फ्यूरेड्यूकेन्स के जीवित बायोफिल्म साइटोक्रोम ओएमसीएस के नैनोवायरों को आंतरिक फोटोकॉन्डक्टर के रूप में उपयोग करते हैं। फोटोकॉन्डक्टिव परमाणु बल माइक्रोस्कोपी शुद्ध व्यक्तिगत नैनोवायरों में फोटोक्रेक्ट में 100 गुना वृद्धि दिखाता है। फोटोक्यूरेंट्स उत्तेजना के लिए तेजी से (<100 एमएस) प्रतिक्रिया करते हैं और घंटों तक विपरीत रूप से बने रहते हैं। फेमटोसेकंड क्षणिक अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी और क्वांटम डायनेमिक्स सिमुलेशन फोटोएक्सिटेशन पर नैनोवायर हेम्स के बीच अल्ट्राफास्ट (~ 200 एफएस) इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण को प्रकट करते हैं, वाहक घनत्व और गतिशीलता को बढ़ाते हैं। हमारे काम से पूरे सेल कटैलिसीस के लिए प्राकृतिक फोटोकंडक्टर्स के एक नए वर्ग का पता चलता है।

.