[論文レビュー] Proteotronics: Electronic devices based on proteins

E. Alfinito, L. Reggiani+1 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2014

Advanced Chemical Sensor Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、タンパク質の選択的電気的反応に基づく電子デバイスを提唱する新分野「プロテオトロニクス」を紹介する。実験的検証が可能な高選択性を持つバイオセンサへの道筋を示すために、嗅覚受容体を活用したプロトタイプセンサを提示し、特定の臭い分子に対する測定可能な電流変化を検出する。

ABSTRACT

The convergent interests of different scientific disciplines, from biochemistry to electronics, toward the investigation of protein electrical properties, has promoted the development of a novel bailiwick, the so called proteotronics. The main aim of proteotronics is to propose and achieve innovative electronic devices, based on the selective action of specific proteins. This paper gives a sketch of the fields of applications of proteotronics, by using as significant example the detection of a specific odorant molecule carried out by an olfactory receptor. The experiment is briefly reviewed and its theoretical interpretation given. Further experiments are envisioned and expected results discussed in the perspective of an experimental validation.

研究の動機と目的

• 生物学的タンパク質を電子デバイスに統合し、選択性の高い分子検出を実現すること。
• タンパク質が有する固有の選択性を活用して、極めて特異的なバイオセンサの構築に取り組むこと。
• タンパク質を機能的部品として用いることで、分子エレクトロニクス分野に新たなパラダイムを提示すること。
• タンパク質ベースの電子デバイス（プロテオトロニクス）の開発を通じて、バイオケミストリーとエレクトロニクスを橋渡しすること。

提案手法

• フィールド効果トランジスタに類似した構造において、特定の嗅覚受容体タンパク質をセンシング素子として用いる。
• 標的の臭い分子が受容体タンパク質に結合した際の電流変化を測定する。
• 臭い分子濃度および受容体状態に応じた電流変調を理論的モデリングにより解釈する。
• タンパク質の天然の結合親和性を活用することで、選択的検出を可能にするデバイス構造を設計する。
• ソフトコンデンス物質物理学の原則を応用し、タンパク質ナノ構造内を通過する電子輸送をモデル化する。
• タンパク質−電極界面の制御された測定を通じて、理論モデルの実験的検証に依拠する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タンパク質ベースのフィールド効果デバイスは、特定の臭い分子を高選択性で検出可能か？
• RQ2 標的の臭い分子が結合することで、タンパク質チャネル内の電流はどのように変化するか？
• RQ3 タンパク質ベース電子デバイスにおける電流変調の背後にある理論的メカニズムは何か？
• RQ4 ソフトマター物理学の原則を用いて、観察された電流応答を定量的にモデル化可能か？
• RQ5 機能的なプロテオトロニクスデバイスを実現するための主要な設計パrameterは何か？

主な発見

• 理論的モデリングにより、臭い分子の結合がタンパク質デバイス内を通過する電流に測定可能な変化を引き起こすことが確認された。
• 電流変調は、リガンド結合に伴うタンパク質の電子構造の変化に起因するとされる。
• 嗅覚受容体タンパク質の高い特異性のおかげで、デバイスは特定の臭い分子に対して選択性を示した。
• 理論的予測では、電流応答が臭い分子濃度に比例することが示唆され、定量的検出が可能である。
• 将来的なチューナブルな感度と選択性を持つプロテオトロニクスセンサの設計フレームワークが提供された。
• 本研究は、バイオセンシング応用におけるタンパク質ベース電子デバイスの概念実証を示した。