Les chimistes du Collège des arts et des sciences de l'Université de Syracuse ont réalisé une avancée transformationnelle dans une source d'éclairage alternative, une source qui ne nécessite ni batterie ni prise.

Professeur agrégé Mathew Maye et une équipe de chercheurs de Syracuse, avec des collaborateurs du Connecticut College, ont récemment démontré un transfert d'énergie hautement efficace entre les tiges quantiques semi-conductrices et les enzymes luciférase. Les bâtonnets quantiques et les enzymes luciférases sont des nanomatériaux et des biomatériaux, respectivement. Lorsqu'ils sont combinés correctement, ces matériaux produisent de la bioluminescence, sauf, au lieu de provenir d'un biomatériau, comme une enzyme de luciole, la lumière émane d'un nanomatériau, et est vert, Orange, rouge, ou proche infrarouge en couleur.

"Considérez notre système comme un projet de conception, " dit Maye. "Notre objectif a été de construire un nano-biosystème suffisamment polyvalent pour nous apprendre beaucoup de choses, tout en nous permettant de surmonter des défis importants sur le terrain et d'avoir des applications pratiques. La conception implique des matériaux de nos laboratoires de chimie et de biologie, ainsi que divers outils de nanoscience et d'auto-assemblage. C'est un véritable travail d'équipe avec de multiples collaborations."

Maye illustre son propos en faisant référence aux barres quantiques, dont chacun mesure quatre nanomètres de large et 50 nanomètres de long. (Un nanomètre équivaut à 1 milliardième de mètre.) "Les tiges ont été synthétisées chimiquement avec une précision étonnante, " dit-il. " Pour obtenir les meilleures informations, nous nous sommes rendu compte qu'il nous fallait au moins deux types de cannes différents, chacune avec trois variations syntonisées, et jusqu'à 10 conditions d'assemblage différentes."

Le fait d'avoir un large éventail de variables a permis à Maye et à son équipe d'en apprendre davantage sur la science du transfert d'énergie en nanobiologie.

Avant de devenir post-doctorant à l'Université de Notre Dame, Rabeka Alam G'13 a dirigé le projet à Syracuse en tant que doctorant. étudiant. Elle dit que ce travail éclaire un type particulier d'interaction connu sous le nom de transfert d'énergie par résonance de bioluminescence (BRET). « En nanosciences, un point ou une tige quantique est généralement un donneur d'énergie, " dit-elle. " Dans notre cas, l'énergie provenait de la luciférase bioluminescente."

Avec BRET, l'enzyme est fixée à la surface du bâtonnet. La luciférine est ajoutée, et agit comme une sorte de carburant. Lorsque l'enzyme et le carburant interagissent, ils libèrent une énergie qui est transférée à la tige, le faisant briller.

"L'astuce pour augmenter l'efficacité [du BRET] est de trouver la bonne combinaison donneur-accepteur, qui nécessite différents bâtonnets et enzymes, " dit Liliana Karam, un doctorat de Syracuse. étudiant qui dirige actuellement le projet. "Merci à nos collègues du Connecticut College, nous avons des enzymes génétiquement manipulées de plusieurs couleurs qui sont attachées aux tiges, lequel, à son tour, sont préparés dans notre laboratoire à Syracuse."

Maye dit que les tiges quantiques sont composées d'éléments semi-conducteurs, en particulier, une enveloppe externe de sulfure de cadmium et un noyau interne de séléniure de cadmium. En manipulant la taille et la forme du noyau, la longueur de la tige, et la façon dont les enzymes sont attachées et emballées sur la surface de la tige, les chercheurs sont capables de modifier la couleur et l'intensité de la lumière émise, démontrant ainsi l'efficacité globale du processus.

Post-doctorant Tennyson Doane, membre senior du Maye Research Group, dit que l'une des percées du projet implique un type spécial de tige connu sous le nom de « tige dans la tige ». Le groupe a émis l'hypothèse pourquoi cette tige particulière entraînait des gains d'efficacité élevés.

"Quand vous avez un noyau en forme de tige, la fluorescence résultante est polarisée, ce qui signifie que la lumière circulaire entre, et la lumière polarisée linéairement sort, " dit Doane, ajoutant que la forme du matériau rend le BRET plus efficace. "Nous croyons cela, lorsqu'il est correctement aligné avec l'état excité par la luciférase, la tige connaît des gains d'efficacité qui, autrement, ne sont pas observés dans un nanosystème auto-assemblé. Le contrôle de la localisation de l'enzyme et de la polarisation de la bioluminescence peut, un jour, conduire à de nouveaux interrupteurs d'éclairage, " dans lequel seules certaines enzymes autour de la tige quantique sont capables d'interagir via BRET."

Maye appelle cela "utiliser la biologie pour des applications non biologiques".

"Nos nanotiges sont constituées des mêmes matériaux que ceux utilisés dans les puces informatiques, panneaux solaires, et des lumières LED [diode électroluminescente]. À l'heure actuelle, notre système fonctionne mieux dans la gamme du rouge au proche infrarouge, qui a des longueurs d'onde plus longues que la lumière visible, et est invisible à l'œil, " il dit, faisant allusion aux lunettes de vision nocturne, l'imagerie médicale, et une détection microbienne rapide. "Notre travail est en instance de brevet à Syracuse. Peut-être, nous aurons un jour des nanotiges recouvertes de lucioles qui peuvent être insérées dans des lumières LED et ne nécessitent pas de prise. »

Les résultats font l'objet d'un article récent dans ACS Nano .