Only Perception: 細菌產生的奈米線具新傳導特性

2011-08-08

細菌產生的奈米線具新傳導特性

Research team discovers new conducting properties of bacteria-produced wires
http://www.physorg.com/news/2011-08-team-properties-bacteria-produced-wires.html

August 7, 2011

一個麻州大學 Amherst 物理學家與微生物學家團隊表示，在 Geobacter sulfurreducens（硫還原泥土桿菌，下文均用原文表示）的微生物奈米線中發現一種根本的、先前未知的特性，那允許電子傳輸一段長距離，或能革新奈米技術與生物電子學（bioelectronics）。

他們的發現報告在 8/7 的 Nature Nanotechnology 線上版，有朝一日也許能為生物感應器以及作為生物系統界面的固態電子產品帶來更便宜、無毒的奈米材料。

領導微生物學家 Derek Lovley 以及物理學家 Mark Tuominen、Nikhil Malvankar 等人表示，菌絲（bacterial filaments）的網路被稱為微生物奈米線（microbial nanowires），因為它們能沿著長邊傳導電子，其移動電荷的效率與合成有機金屬奈米結構物相當，而且它們能在非凡的距離下辦到這件事：細菌長度的數千倍。

微生物奈米線網路遍及生物膜（biofilms），那是百萬個細胞凝聚性的聚集，賦予這種生物材料堪比合成導電聚合物的傳導性。合成導電聚合物常在電子產業中使用。

Lovley 表示，"蛋白質細絲以這種方式傳導電子的能力為生物學中的一種典範轉移，而且在我們對自然微生物過程的理解以及對於環境清潔與再生能源的開發上，已成為分枝（ramifications）。"

這項發現在生物膜的理解上代表一種根本上的改變，Malvankar 補充。"在這些物種內，生物膜包含的蛋白質表現像是一種金屬，將電子傳導一段非常遠的距離，基本上與生物膜可擴展的範圍相當。"

Tuominen，領導物理學家，補充，"這項發現不僅將生物學中一項重要的新原理向前推進，而且也包含材料科學。我們現在能研究一系列新的導電奈米材料，那是活的、自然發生的、無讀得，比人工製造的更易產生且成本更少。它們甚至允許我們在水中以及潮溼的環境中使用電子產品。它為生物學與能源應用開啟令人振奮的良機，那在之前是不可能的事。"

研究者報告，這是「電荷沿著蛋白細絲如金屬般傳導」首度被觀察到。那先前被認為，這樣的傳導將需要一種涉及一系列其他被稱為細胞色素（cytochromes）的蛋白質的機制，電子在細胞色素間進行短距跳躍。相較之下，UMass Amherst 團隊證明了在缺乏細胞色素下所進行的長距傳導。Geobacter 菌絲如真正的導線般運作。

在大自然中，Geobacter 利用它們的微生物奈米線，將電子傳遞到氧化鐵（土壤中天然的、如鐵鏽般的礦物）上，對 Geobacter 而言，其功能與氧之於人類相當。"Geobacter 以其奈米線所能做到的事，類似透過一根長達 10 公里的呼吸管進行呼吸，" Malvankar 說。

UMass Amherst 在 2005 年曾在 Nature 提出，Geobacter 的奈米線也許代表生物學中一種根本的新特性，但他們找不到機制，故遭到大量質疑。為繼續實驗，Lovley 等人利用這個事實：在實驗室內，Geobacter 將在電極上生長，那取代了氧化鐵。在電極上，細菌製造出厚厚的、導電的生物膜。在一系列利用基改株所進行的究中，研究者發現，在生物膜中如金屬般的導電性，可歸因於遍及整個生物膜的奈米線網路。

UMass Amherst 研究者發現，這些特殊結構能以一種前所未見的方式調整。Tuominen 指出，「人工奈米線的特性能藉由改變其周遭而改變」這件事在在奈米科技社群中眾所皆知。Geobacter 天然方法的獨特之處在於，只要改變溫度或是調控基因表現以創造出新的菌株，就能夠讓科學家操縱導電特性。Malvankar 補充，藉由引入第三個電極，生物膜能表現出「生物電晶體（biological transistor）」的樣子，能藉由施加一電壓開啟或關閉。

Geobacter 所提供的另一種優勢是，其所產生的天然物質更加環保且比人工製品更廉價。今日絕大多數的奈米科技材料製造上都很昂貴，許多都需要稀有元素，Tuominen 說。Geobacter 真的是天然的替代品。"如同研究材料的人，我將這種生物膜視為一種新材料，一種正好是由大自然製造的。對於它也許能橋接固態電子產品與生物系統之間的鴻溝，令人感到振奮。其生物相容性我們前所未見。"

Lovley 嘲弄道："我們基本上是以醋製造出電子產品。再也沒有比那更便宜、更「綠」了。"

最後，這是一個關於跨學科合作的故事，用做的比說的更難辦到，Lovley 說。"我們非常幸運，有來自於海軍研究辦公室、能源部、以及 NSF 的靈活資助，那讓我們能追蹤某些預感。此外，我們有夠英勇的物理系博士生，敢來微生物學這邊研究某些潮濕、泥濘的東西。" 這位學生，Nikhil Malvankar，現在是一位博士後研究者，他與 Lovley 及 Tuominen 將繼續探索是什麼東西賦予 Geobacter 的蛋白菌絲如此獨特的電氣特性。

※ 相關報導：

＊ Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks
http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2011.119

Nikhil S. Malvankar, Madeline Vargas, Kelly P. Nevin,
Ashley E. Franks, Ching Leang, Byoung-Chan Kim, Kengo Inoue,
Tunde Mester, Sean F. Covalla, Jessica P. Johnson,
Vincent M. Rotello, Mark T. Tuominen, Derek R. Lovley
Nature Nanotechnology (2011)
doi: 10.1038/nnano.2011.119