Nat. Chem. Biol∣电场刺激微生物，产生高导电性的OmcZ纳米线
文献信息：
作者：Sibel Ebru Yalcin, J. Patrick O’Brien, Yangqi Gu, Krystle Reiss, Sophia M. Yi, Ruchi Jain, Vishok Srikanth, Peter J. Dahl, Winston Huynh, Dennis Vu, Atanu Acharya, Subhajyoti Chaudhuri, Tamas Varga, Victor S. Batista, Nikhil S. Malvankar
发表时间：17 August 2020
https://doi.org/10.1038/s41589-020-0623-9
Nature Chemical Biology 影响因子：12.9
高考加油
在科技发展的前沿领域中，多功能活体材料凭借其出色的自修复与自我复制能力，成为科研人员竞相探索的热点。然而，一个不容忽视的缺陷是，绝大多数天然材料在电子功能方面存在明显的缺失。
本研究聚焦于一种独特的方法，通过将电场施加于能够产电的 Geobacter sulfurreducens 生物膜，成功激发了细胞色素 OmcZ 纳米线的产生。这种 OmcZ 纳米线展现出了极为卓越的导电性能，其导电性是自然环境中具有重要意义的细胞色素 OmcS 纳米线的 1000 倍，同时，在硬度方面，OmcZ 纳米线也远超 OmcS 纳米线，高出其 3 倍之多（达到 1.5 GPa）。借助基于化学成像的多模式纳米光谱学技术，作者深入地将蛋白质的结构特征与其功能特性紧密相连，并且观察到在单个纳米线层面，pH 值的改变能够诱导其发生构象转换，形成 β- 折叠结构。这种结构转变使得纳米线内部的血红素基团之间的 π 堆叠作用得到显著增强，进而使其硬度和导电性均实现了高达 100 倍的提升。从更宏观的层面来看，这些纳米线具备将机械和化学刺激转化为电信号的卓越能力，为传感、合成以及能量产生等应用领域开辟了全新的途径。
这一关于生物合成的高导电性蛋白质纳米线的重大发现，有望为生物系统和电子系统之间无缝、双向接口的构建提供关键的指导，其意义和价值不可限量。
图文解读
图1 | 电场刺激OmcZ纳米线的产生
a，微生物燃料电池用于生物膜生长的示意图。扩展数据图2a显示了详细的设置。
b，免疫印迹显示在三种不同生长条件下WT细胞丝状物制备中OmcZ丰度的比较。
c，冷冻电镜图像显示OmcS（黑色方框）和OmcZ纳米线（红色方框）。比例尺为20 nm。
d，c中所示位置的OmcS和OmcZ纳米线的放大图像。
e，OmcZ纳米线的冷冻电镜投影（二维平均图）。比例尺为5 nm。
f，原子力显微镜图像显示在电场下生长的WT细菌细胞，显示OmcZ纳米线以及绿色方框所示位置的相应放大图像。比例尺为200 nm（左侧）、50 nm（中部）和20 nm（右侧）。
g，f中红色线条所示位置的OmcZ纳米线的原子力显微镜高度轮廓。
图2 | 红外纳米光谱确认在电场下生长的生物膜中的OmcZ纳米线
a，代表性原子力显微镜高度图像和相应的红外s-SNOM图像，激光激发波长为1,635和1,665 cm−1，用于pH 7下的OmcS纳米线。比例尺为0.5 µm。
b，c，pH 7下OmcS纳米线（b）和OmcZ纳米线（c）的酰胺I带的红外纳米光谱。蓝色曲线，酰胺I带分解拟合数据（红色标记）。α，α-螺旋；β，β-折叠；D，显示线圈和/或转角的环区。对于b，c，数据代表单个纳米线的平均值±标准差（n=3个生物独立样本）。
图3 | OmcZ纳米线的导电性比OmcS纳米线高1000倍
a，CP–AFM示意图及OmcZ纳米线跨越金–SiO₂界面的AFM形貌图像。比例尺为100 nm。插图显示红色线条处的纳米线高度轮廓。
b，a中显示的OmcZ纳米线位置处测得的代表性电流–电压（I–V）曲线。
c，OmcZ纳米线的电阻随距离金电极距离的变化。虚线为线性拟合。数据代表平均值±标准差（每种纳米线长度测量n=8次，涵盖三个生物独立样本）。
d，使用CP–AFM在pH 7下测得的OmcZ与OmcS纳米线导电性比较。数据以箱线图表示（生物独立纳米线，n=13用于OmcZ，n=9用于OmcS）。箱线图的箱体定义为25%和75%分位数，中心线为中位数，须线为10%和90%分位数。
图4 | OmcZ纳米线的血红素π-堆积比OmcS有改善，且质子化增强π-堆积
a，b，含OmcS纳米线（a）和含OmcZ纳米线（b）样本的GIμXRD显示，在d间距为3.6 Å处的峰值强度增加（pH 10.5 → pH 2），表明血红素之间的π-堆积改善，与导电性增强相关（另见图5b）。所有测量均重复多次并获得相似结果。a的插图，OmcS纳米线的冷冻电镜结构，血红素显示为按化学元素着色的棒状模型（灰色碳，蓝色氮，红色氧，橙色铁），范德华半径为半透明。
c，d，OmcS（c）和八血红素蛋白（d）中血红素（红色）的排列。OmcS和OmcZ的冷冻电镜密度分别为灰色和绿色。OmcS纳米线和八血红素蛋白中血红素对之间的边缘到边缘距离在π-堆积范围内（3.5–4 Å）以蓝色显示。
e，OmcS的冷冻电镜结构。
f，OmcZ单体的计算模型。坐标可在补充数据集中找到。e和f中的结构按残基编号着色，蓝色为N端，红色为C端。
图5 | 纳米红外光谱确定OmcS和OmcZ纳米线中的pH诱导结构转变
a–c，OmcS和OmcZ纳米线的相对高度和pH诱导的纳米线直径减小（a）、校正高度的电子导电性（b）和刚度（c）。数据代表平均值±标准差，a和c为三个生物学重复中100次纳米线测量的平均值±标准差，b为三个生物学重复的平均值±标准误差（s.e.m.），以红色圆圈叠加显示。
d，e，pH 2下OmcS（d）和OmcZ纳米线（e）的红外纳米光谱。
蓝色曲线，酰胺I带分解拟合数据（红色标记）。α，α-螺旋；β，β-折叠；D，显示线圈/转角的环区。数据代表单个纳米线的平均值±标准差（n=3个生物独立样本）。
图6 | 拉曼、圆二色和荧光光谱进一步证明了pH诱导的OmcS和OmcZ纳米线结构转变，分别包含WT和W51W57样本
a，b，OmcZ纳米线（a；酰胺I带）和OmcS纳米线（b；酰胺III带）在pH 7和pH 2下的拉曼光谱显示向β折叠的转变。
c，OmcS的圆二色光谱表明，pH 7下主要为α螺旋结构（蓝色曲线）在pH 2下转变为β折叠（红色曲线）。
d，OmcZ的圆二色光谱显示在pH 7和pH 2下均存在β折叠。
e，pH 7下ThT染色的OmcZ纳米线的荧光显微镜图像。比例尺为500 nm。
f，pH 2下OmcZ与ThT的荧光发射强度增加三倍。ThT结合β折叠并在440 nm激光激发下于约485 nm处产生荧光增强。所有数据均经过背景扣除，并重复多次，结果相似。
合成生物学相关内容讨论与合作，及文章免费投稿
欢迎联系我：shalafangjian
了解更多合成生物学内容，请关注 iSynFox 🦊: