Los químicos de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Syracuse han hecho un avance transformador en una fuente de iluminación alternativa, una que no requiere una batería o un enchufe.
El profesor asociado Mathew Maye y un equipo de investigadores de Syracuse, junto con colaboradores de Connecticut College, han demostrado recientemente una transferencia de energía de alta eficiencia entre barras cuánticas semiconductoras y enzimas luciferasa. Las barras cuánticas y las enzimas luciferasa son nanomateriales y biomateriales, respectivamente.combinados correctamente, estos materiales producen bioluminiscencia, excepto que, en lugar de provenir de un biomaterial, como una enzima de luciérnaga, la luz emana de un nanomaterial y es de color verde, naranja, rojo o infrarrojo cercano.
Los resultados son el tema de un artículo reciente en ACS Nano American Chemical Society, 2016.
"Piense en nuestro sistema como un proyecto de diseño", dice Maye. "Nuestro objetivo ha sido construir un nano-biosistema que sea lo suficientemente versátil como para enseñarnos mucho, mientras nos permite superar desafíos importantes en el campo y tener aplicaciones prácticas. El diseño involucra materiales de nuestros laboratorios de química y biología, así como varias herramientas de nanociencia y autoensamblaje. Es un verdadero esfuerzo de equipo con múltiples colaboraciones ".
Maye ilustra su punto haciendo referencia a varillas cuánticas, cada una de las cuales tiene cuatro nanómetros de ancho y 50 nanómetros de largo. Un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro. "Las varillas se sintetizaron químicamente con una precisión asombrosa", dice.para obtener la mejor información, nos dimos cuenta de que necesitábamos al menos dos tipos diferentes de varillas, cada una con tres variaciones sintonizadas sintéticamente y hasta 10 condiciones de ensamblaje diferentes ".
Tener una amplia gama de variables ha permitido a Maye y su equipo aprender más sobre la ciencia de la transferencia de energía de nanobiología.
Antes de convertirse en un postdoc en la Universidad de Notre Dame, Rabeka Alam G'13 dirigió el proyecto en Syracuse como estudiante de doctorado. Dice que este trabajo ilumina un tipo especial de interacción conocida como transferencia de energía de resonancia de bioluminiscencia BRET"En nanociencia, un punto cuántico o varilla es típicamente un donante de energía", dice ella. "En nuestro caso, la energía proviene de la luciferasa bioluminiscente".
Con BRET, la enzima se une a la superficie de la barra. Se agrega luciferina y actúa como un tipo de combustible. Cuando la enzima y el combustible interactúan, liberan una energía que se transfiere a la barra, haciendo que brille.
"El truco para aumentar la eficiencia [de BRET] es encontrar la combinación correcta de donante-receptor, que requiere diferentes bastones y enzimas", dice Liliana Karam, una estudiante de doctorado de Syracuse que actualmente dirige el proyecto. "Graciaspara nuestros colegas de Connecticut College, tenemos enzimas genéticamente manipuladas de múltiples colores que se unen a las varillas, que, a su vez, se preparan en nuestro laboratorio en Syracuse ".
Maye dice que las varillas cuánticas están compuestas de elementos semiconductores, específicamente, una cubierta externa de sulfuro de cadmio y un núcleo interno de seleniuro de cadmio. Al manipular el tamaño y la forma del núcleo, la longitud de la varilla y elLa forma en que las enzimas se unen y empaquetan en la superficie de la varilla, los investigadores pueden alterar el color y la intensidad de la luz que se emite, lo que demuestra la eficiencia general del proceso.
Postodc Tennyson Doane, miembro sénior del Grupo de Investigación Maye, dice que uno de los avances del proyecto involucra un tipo especial de varilla conocida como "varilla en varilla". El grupo ha formulado la hipótesis de por qué esta varilla en particular resultaen ganancias de alta eficiencia.
"Cuando tienes un núcleo en forma de barra, la fluorescencia resultante se polariza, lo que significa que entra luz circular y sale luz polarizada linealmente", dice Doane, y agrega que la forma del material hace que BRET sea más eficiente. "Creemosque, cuando se alinea correctamente con el estado excitado por la luciferasa, la barra experimenta ganancias de eficiencia que de otro modo no se verían en un nanosistema autoensamblado. Controlar la ubicación de la enzima y la polarización de la bioluminiscencia puede, algún día, conducir a nuevos "interruptores de luz".que solo ciertas enzimas alrededor de la barra cuántica pueden interactuar a través de BRET ".
Maye llama a esto "usar biología para aplicaciones no biológicas"
"Nuestros nanorods están hechos de los mismos materiales utilizados en chips de computadora, paneles solares y luces LED [diodos emisores de luz]. En este momento, nuestro sistema funciona mejor en el rango de rojo a infrarrojo cercano, que tiene longitudes de onda más largasque la luz visible, y es invisible a la vista ", dice, aludiendo a las gafas de visión nocturna, imágenes médicas y detección microbiana rápida." Nuestro trabajo está pendiente de patente en Syracuse. Quizás algún día tengamos cubiertas de luciérnagasnanorods que se pueden insertar en luces LED y no requieren un enchufe "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Syracuse . Original escrito por Rob Enslin. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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