Od co najmniej dwóch lat grupa naukowców z University of Washington pod kierownictwiem profesora Marco Rolandi wyznacza nowy, interdyscyplinarny kierunek badań szukając sposobów pokonania barier dzielących fizykę i nauki biologiczne. Głównym założeniem badaczy jest wykazanie, że systemy biologiczne inspirują nowe projekty inżynierskie mające potencjalne zastosowanie w medycynie. Spośród wielu odkryć i wynalazków grupa ma na swoim koncie opracowanie urządzenia będącego prototypem tranzystora zdolnego do zamiany sygnału pochodzącego z przepływu protonów na sygnał elektronowy (przepływ prądu).

W naturze komunikacja na poziomie molekularnym odbywa się za pomocą przepływu jonów, w tym protonów (H⁺), natomiast urządzenia elektroniczne wykorzystują przepływ elektronów, co powoduje trudności w ich współpracy z układami żywymi. Jednak protony działają w komórkach na podobnej zasadzie jak elektrony w maszynach – są „przełącznikami” procesów oraz środkami transportu energii. Fakt ten został wykorzystany do konstrukcji wspomnianego mikrotranzystora.

Kluczową kwestią było odkrycie, że odpowiednio zmodyfikowany (uwodniony) chitozan – substancja polisacharydowa będąca pochodną chityny – wyekstrahowany z pancerzyków kałamarnic ma zdolność dobrego przewodzenia protonów. Protony „przeskakują” bowiem wzdłuż cząsteczek wody (z prędkością około 5 x 10^-3 cm² V^-1 s^-1), co umożliwia skonstruowanie mikroskopijnych protonowych tranzystorów. Prąd protonowy jest w nich włączany i wyłączany poprzez napięcie podane na bramkę wejściową.

Prof. Marco Rolandi stwierdza, że nowe urządzenie stanowi pewnego rodzaju pomost pomiędzy światem żywych organizmów i światem maszyn umożliwiając komunikację między nimi, co stanowi krok w kierunku bionanoprotoniki. Pomimo, że budowa tranzystora nadal bazuje na krzemie i nie nadaje się on jeszcze do zastosowania u ludzi, badacze mają nadzieję na to, że za niedługo posłuży do pomiaru i monitorowania przepływu protonów podczas określonych procesów biologicznych. Istnieją również przypuszczenia, że kiedyś za pomocą tego typu urządzeń uda się kontrolować procesy biologiczne wysyłając komendy „włącz - wyłącz” do organizmów ludzkich - w ten sposób być może uda się wyleczyć wiele schorzeń oraz udoskonalić protezy narządów.

Ewa Rojczyk-Gołębiewska

Źródła:

Erickson JC. New course in bioengineering and bioinspired design. Biomedical Sciences Instrumentation 2012, 48:96-103

Zhong C, Deng AF, Kapetanovic A, Anantram MP, Rolandi M. A polysaccharide bioprotonic field-effect transistor. Nature Communications 2011, 2:476