“Nat. Rev. Bioeng∣微生物蛋白纳米线作为非生物纳米线的替代品，正在电子应用领域崭露头角”
文献信息：
作者：Matthew J. Guberman-Pfeffer, Noémie-Manuelle Dorval Courchesne, Derek R. Lovley
发表时间： 04 July 2024
https://doi.org/10.1038/s44222-024-00204-2
nature reviews bioengineering 影响因子：26.8
背景介绍
微生物蛋白纳米线作为非生物纳米线的替代品，正在电子应用领域崭露头角。微生物纳米线可持续生产，具有鲁棒性、无毒性、可生物降解性，并且可以通过精确的基因工程调整，赋予特定的功能性。目前，似乎最适合电子应用的微生物纳米线包括卷曲纤维、电导性菌毛（e-pili）和c型细胞色素丝。这些纳米线都高度抵抗大多数蛋白质变性的条件。对编码卷曲纤维和e-pili单体的基因进行编辑，已经产生了具有增强功能的纳米线，包括提高导电性、改进传感器的选择性和灵敏度、金属结合特性、增加表面附着力和改善纳米线排列。这些微生物纳米线在某些设备制造方法所需的有机溶剂中具有很高的加工性，并且可以轻松地整合到聚合物中而不损失功能。
本文综述了依赖微生物纳米线组件的有前途的电子设备，包括传感、发电和神经形态存储，并讨论了其他微生物纳米线应用如晶体管、光电子和超级电容器的初步可行性证据。同时，也考虑了影响基于微生物纳米线的电子商业化的因素。
图文解读
图1|在电子设备中有潜在应用的微生物纳米线
最有前景的微生物纳米线包括卷曲纤维、菌毛、古菌毛和细胞色素丝。每种纳米线类型都描绘了几个方面（从上到下）：蛋白质单体的结构及其组织成丝；产生这些丝的细菌细胞；用于原生和异源丝生产的宿主细胞；以及比较丝属性的尺度。e-Pili，电导性菌毛。大肠杆菌卷曲纤维生物膜的扫描电子显微镜图像和野生型Geobacter sulfurreducens产生的3纳米直径菌毛和4纳米直径OmcS丝纳米线的原子力显微镜图像改编自参考文献55，CC BY 4.0
表1|选定的微生物纳米线的特性
EAM，电极阵列测量；ETM，电极尖端测量；ND，未确定。
a与大气湿度平衡的蛋白质保持一层薄水，这是大多数电子设备应用的相关条件。
b对于沿丝长测量导电性，丝被沉积在电极阵列上，其导电性是通过两个电极测量的，丝与这两个电极接触（EAM），或者通过一个电极和一个作为第二个电极的导电原子力显微镜尖端接触（ETM）。原位丝（即，从细胞发出的）的导电性是通过将细胞沉积在导电表面上，用原子力显微镜的导电尖端接触丝的顶部，并测量尖端和导电表面之间的电流来确定的。薄膜的导电性在正文中提供。
cG. metallireducens pilA基因在G. sulfurreducens中表达。
d通过每个亚基添加两个色氨酸进行修饰。
e平均值来自参考文献102的补充表二；大多数单独的丝≤1.0 S/cm。
遗传修饰可以通过操纵芳香族氨基酸含量或在丝的外表面展示特定肽段来调节纤维的导电性。
a, 一种工程细菌菌株，其中编码原生丝（红色）的内源基因已被删除，转而表达编码工程丝（蓝色）的修改基因。
b, 两种修改纳米线单体基因的策略。左侧，修改芳香族氨基酸含量；右侧，在单体的N端或C端展示功能性肽段。
c, 使用这两种策略修改的PilA和CsgA单体的例子。在PilA上展示了芳香族氨基酸侧链和N端融合；在CsgA上展示了C端融合。单体结构使用PyMOL 3.0绘制，使用了PilA和CsgA的已发布结构和序列。
d, 这些修改可以导致导电性增加、感测或金属结合能力提高、增加对表面的附着力或改善丝的排列。
a, 溶剂暴露可以将随机分布的Geobacter sulfurreducens纳米线排列成片状。
b, 细菌纳米线和非导电聚合物（左）可以结合形成导电复合材料，在该复合材料中纳米线网络分散在聚合物中（右上方）。通过在大肠杆菌中异源表达G. sulfurreducens pilin基因产生的纳米线。收获的e-pili（2 重量百分比）与聚乙烯丁酸酯混合形成导电复合材料。荧光显微镜确认了这种复合材料中聚乙烯丁酸酯材料没有荧光标记（左侧黑色图像），而当e-pili预先用异硫氰酸荧光素染色时，荧光（因此e-pili分布）均匀（右侧绿色图像）。
c, 经过遗传修饰的G. sulfurreducens CL-1菌株过表达e-pili和OmcS纳米线，形成高度粘附和导电的生物膜。CL-1菌株的图像经许可改编自参考文献142，RSC。
图4|提高微生物纳米线大规模生产的策略
删除细菌原生细胞外丝和相关组装蛋白的内源基因（红色）。然后引入所需的纳米线单体基因和必要的组装基因（蓝色），可以是质粒或通过基因组整合。新的基因组材料被设计优化密码子使用（即，利用宿主最常用的密码子来编码所需的氨基酸）、核糖体结合位点、启动子和信号序列。经过优化以大规模生产纳米线的改良菌株被大规模培养，以获得可以通过可扩展方式轻松从细胞物理分离的纳米线。最后，纳米线可以进一步浓缩和加工，以获得材料并制造电子设备。
a, 基于纳米线在薄膜中或并入复合材料中的传感器，电性连接两个电极。分析物与纳米线的结合改变了电环境，引起纳米线电阻的变化，从而改变输出电流。
b, Air-gen设备，它利用大气湿度产生电力。设备顶部的纳米线薄膜的大暴露表面积有助于与大气中的水进行电荷交换。高度多孔的纳米线薄膜及其质子交换特性在纳米线薄膜内产生电荷梯度，从而驱动输出电压。
c, 一种在生物学相关电压下工作的神经形态存储设备。当外部电输入足够高时，银离子(Ag+)被还原为金属银(Ag0)，并沉积在形成薄膜的纳米线上，该薄膜位于Ag0阴极和铂(Pt0)阳极之间，从而形成存储电路。
d, 由c型细胞色素丝组成，以束状排列或在复合材料中，可以通过在氧化和还原状态之间可逆切换来存储或释放电能的超级电容器。尽管现有的纳米线超级电容器基于Geobacter sulfurreducens生物膜，但预计基于纯化的细胞色素纳米线的设备将改善超级电容器的功能。
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