Синтезирован первый генетически развиваемый полупроводниковый материал

Не в таком уж далеком будущем ученые смогут использовать ДНК для выращивания специализированных материалов благодаря концепции направленной эволюции. Ученые из Калифорнийского университета Санта-Барбары (UCSB) впервые использовали генную инженерию и молекулярную эволюцию для разработки ферментативного синтеза полупроводников.

«В мире технологий, созданных человеком, это будет новым методом, но это очень старый метод для природы», - сказал Лукмаан Бавазер (Lukmaan Bawazer), первый автор публикации «Эволюционный отбор ферментативносинтезированнных полупроводников из имитированных человеком минерализованных везикул».

Используя силикатеины, – протеины, ответственные за формирование скелетов из двуокиси кремния (кремнезема) в морских губках, – исследователям удалось сгенерировать новые минеральные архитектуры, направляя развитие этих энзимов. Силикатеины, которые генетически кодированы, служат в качестве шаблонов для кремнеземных скелетов и управляют их минерализацией, участвуя таким образом в процессах, подобных тем, посредством которых формируются скелеты у животных и человека. Двуокись кремния, известная также как кремний, является основным материалом в большинстве производимых полупроводников.

В данном исследовании полистироловые микробусинки, покрытые специфическими силикатеинами, подвергались реакции минерализации посредством выдерживания их в водно-масляной эмульсии, которая содержала химические предшественники для минерализации: силициды либо титан, растворенные в масляной или в водяной фазе эмульсии. По мере того как силикатеины вступали в реакцию с растворенными металлами, они осаждали их, объединяя металлы в результирующую структуру и формируя наночастицы из двуокиси кремния или двуокиси титана.

Создав пул генов силикатеина – комбинации и рекомбинации различных силикатеиновых генетических материалов – ученые смогли создать множество силикатеинов и затем выбрать материал с желательными свойствами.

Процесс привел к формам силикатеинов, не доступным в природе. Например, некоторые силикатеины самособирались в листы и образовывали рассеянные минеральные наночастицы, в противоположность агломерированным частицам, образуемых естественными силикатеинами в типичных случаях. В некоторых случаях образовывались также кристаллические материалы, демонстрируя способность к кристаллообразованию, которая приобреталась посредством направленной эволюции.

Поскольку силикатеины являются энзимами с относительно длинными аминокислотными цепочками, которые могут укладываться в точные формы, имеются возможности для большей функциональности, чем при использовании более коротких биополимеров или при более традиционных подходах синтезирования. В добавок, процесс потенциально мог бы работать с различными металлами, что позволило бы получать разные типы материалов. Изменяя лабораторную среду, в которой происходит направленная эволюция, возможно будет получать материалы со специфическими свойствами, к примеру, высокопроизводительные солнечные элементы.

Изображение показывает процесс синтеза двуокиси кремния с помощью направленной эволюции силикатеиновых протеинов

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365