在美国海军研究办公室所资助下，美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的研发人员发现一种新型由细菌制造的纳米线，能够极大地加快研究人员实现为电子产业研发可持续性的“绿色”导电材料的目标。研究成果发表在美国微生物学会重要杂志《mBio》上。

图为细菌产生导电纳米线示意图

微生物纳米线的优点

研究人员以微生物纳米线作为研究对象，是一种可被细菌用于与其他微生物或矿物质进行电连接的蛋白丝。

研究人员Lovley表示：“微生物纳米线是一种革命性的电子材料，显著优于人造材料。在实验室化学合成纳米线需要使用有毒化学品、高温和/或昂贵金属，并需消耗大量电能。而微生物纳米线则可在室温下在生物反应器中使用廉价的可再生原料完成大批量生产，能耗显著降低，最终产品也不含有毒成分。因此，微生物纳米线使用新型环境友好技术可为多种应用研发全新材料、电子器件和传感器。”

研究历程

此前，Lovley所在实验室一直仅使用一种细菌-硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens.）来研究纳米线。Lovley表示：“我们早期的研究聚焦于地杆菌是因为我们尝试了解为什么一个细菌能够产生细线。现在我们最感兴趣的是如何把纳米线用作电子材料，以及希望更好理解实际应用所需全面特性”。

当Lovley的实验室开始研究其他地杆菌物种的蛋白质丝时，他们惊讶地发现广泛存在的导电性。如从铀污染的土壤中回收的一类物种能够产生导电能力较弱的导电丝，而另一钟细菌——金属还原地杆菌——正好是第一种地杆菌分离而成，所产生纳米线的导电性是硫还原地杆菌的5000倍。

技术突破

在美国海军研究办公室所支持的新研究中，研究人员并没有直接研究金属还原地杆菌株。而是，首先从中提取了组成微生物纳米线的蛋白质基因，并植入到硫还原地杆菌。结果是改变了硫还原地杆菌的遗传性质，使其产生金属还原地杆菌的蛋白质，所产生丝线的导电性远远超过硫还原地杆菌自然产生的纳米线。

此外，Lovley表示：“我们已经发现硫还原地杆菌可从不同类型细菌表现出丝线基因，这使得在相同微生物体内产生多样性的细丝，以及在类似条件下研究其性质变得更加简单。使用这种方法，我们遍历了微生物世界以寻找有用的导电材料。微生物世界中存在大量的细丝基因，现在即使使用之前从没培养过的微生物，我们也可以研究其基因产生的细丝。”

原因分析

研究人员将金属还原地杆菌纳米线的超高导电性归因于其更大丰度的芳香族氨基酸。紧密堆积的芳香环似乎是微生物纳米线导电性的关键，这意味着，芳香环越多，电子就能够更好地沿着蛋白质丝转移。

意义

金属还原地杆菌纳米线的高导电性表明，其有望是制造医疗或环境领域内导电材料、电子器件和传感器的良好材料。Lovley表示，“对纳米线导电机制了解得越多，越能够让我们知道如何更好地制造带有我们自己设计的基因的丝线。这是微生物纳米线技术领域的重大突破，所提出的方法有助于在自然界快速找到更好的电子材料”。

文章链接：

Yang Tan, et al, "Expressing the Geobacter metallireducens PilA in Geobacter sulfurreducens Yields Pili with Exceptional Conductivity," mBiovol. 8 no. 1 e02203-16,doi:10.1128/mBio.02203-1617 

（本文来源：大国重器—聚焦世界军用电子元器件；）

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