Белок на углеродной нанотрубке стал одновременно молекулярным прожектором и элементом памяти

Российские ученые совместно с зарубежными коллегами разработали полноценный биоэлектронный фотоэлемент на основе всего одной молекулы светящегося белка, соединенного с углеродной нанотрубкой. Такая система способна менять свои электронные свойства под действием света и в зависимости от того, как прикрепить белок, она может либо служить прожектором, либо хранить информацию. Исследование открывает перспективы для создания экологически чистых элементов электроники, запоминающих устройств и солнечных батарей. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Оптоэлектронные устройства, которые способны хранить и передавать информацию, воспринимая свет различных длин волн, лежат в основе лазеров, светодиодов и некоторых запоминающих приборов. Среди них большой научный интерес вызывают системы, содержащие помимо электронных элементов биомолекулы, например белки. Такие гибридные системы дешевле, экологичнее и при этом сохраняют необходимые оптические свойства. Их можно использовать в качестве компонентов для молекулярной электроники, светоизлучающих диодов (LED), новейших лазеров и оптических транзисторов.

Ученые из Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Москва), Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва), Сколковского института науки и технологий (Москва) с коллегами из Кардиффского университета (Великобритания), Университета Аалто (Финляндия) и Нови-Садского университета (Сербия) модифицировали углеродные нанотрубки зеленым флуоресцентным белком (ЗФБ). «Мостиком» между ними служили молекулы фенилазида, которые под действием света обеспечивают ковалентную сшивку с атомами углерода в нанотрубке, то есть реакцию с образованием общих электронных пар между атомами разных компонентов.

ЗФБ представляет собой «бочонок» из складчатой аминокислотной цепи, внутри которого располагается молекула флуорофора. Последний под действием излучения приобретает дополнительную энергию, претерпевает электронные перестройки, а затем возвращается в исходное состояние, отдавая избыток энергии в виде собственного излучения. Возможен и другой вариант — выделение тепла, но от этого его и защищает «бочонок», обеспечивая длительное сохранение флуоресцентных свойств.

Исследователи изучили структуру полученных соединений и выяснили, что можно контролировать тип формируемого оптоэлектронного элемента за счет белка. Эта система может обмениваться с внешней средой не только энергией, но и носителями заряда. Именно на этом свойстве авторы работы и построили новые наноустройства.

«Углеродная нанотрубка является незаменимым объектом при создании биоподобных сенсорных конструкций, позволяя фиксировать малейшие изменения в структуре и заряд единичных биомолекул, связанных с ней», — рассказывает Никита Некрасов, аспирант Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнологии» «МИЭТ».

Углеродные нанотрубки богаты свободными электронами, которые по фенилазидному мостику могут мигрировать на ЗФБ и обратно. Ученые по-разному присоединяли белок — как бы размещая «бочонок» стоя или на боку — и наблюдали, как будет себя вести фотоэлемент. Оказалось, что, если присоединить белок к углеродной нанотрубке его гидрофобной частью («боком»), то есть той, которая отталкивает от себя воду, то вся система начинает работать как прожектор, управляющий проводимостью нанотрубки. Это происходит потому, что при включении и выключении возбуждающего света нанотрубка и белок активно обмениваются электронами. В случае же, когда белок присоединили к нанотрубке более гидрофильной частью («дном») — той, что активно взаимодействует с водой, — то в области между нанотрубкой и белком происходит захват заряда, поэтому устройство приобретает способность хранить информацию десятки минут. При этом благодаря защитной белковой оболочке элемент сохранял стабильность в течение длительного времени.

«Наша разработка позволит создать мощные и компактные устройства для хранения и передачи информации, управляемые светом. Кроме того, оба компонента наших элементов являются биоразлагаемыми и не несут вреда окружающей среде, поэтому могут стать основой экологически чистых солнечных батарей», — рассказывает Иван Бобринецкий, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнологии» «МИЭТ».