[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了'蛋白电学'（proteotronics）这一新领域，即基于蛋白质选择性电响应的电子器件。研究展示了一款基于嗅觉受体的原型传感器，可通过可测量的电流变化检测特定的气味分子，为高度选择性的生物传感器提供了路径，并具备在分子电子学中进行实验验证的潜力。

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.

研究动机与目标

• 探索将生物蛋白质整合到电子器件中以实现选择性分子检测。
• 通过利用蛋白质固有的选择性，解决开发高度特异性生物传感器的挑战。
• 提出一种基于蛋白质作为功能元件的分子电子学新范式。
• 通过开发基于蛋白质的电子器件（蛋白电学），弥合生物化学与电子学之间的鸿沟。

提出的方法

• 采用特定的嗅觉受体蛋白作为场效应晶体管类结构中的活性传感元件。
• 测量目标气味分子与受体蛋白结合后引起的电流变化。
• 利用理论建模，将观察到的电流调制解释为气味分子浓度和受体状态的函数。
• 设计一种器件结构，通过利用蛋白质的天然结合亲和力实现选择性检测。
• 应用软凝聚态物理原理，对电子通过蛋白质纳米结构的输运进行建模。
• 通过控制蛋白质-电极界面的测量，对理论模型进行实验验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于蛋白质的场效应器件能否以高选择性检测特定的气味分子？
• RQ2 当目标气味分子与受体蛋白结合时，通过蛋白质通道的电流如何变化？
• RQ3 蛋白质基电子器件中电流调制的理论机制是什么？
• RQ4 能否使用软物质物理原理对观测到的电流响应进行定量建模？
• RQ5 实现功能性蛋白电学器件的关键设计参数是什么？

主要发现

• 理论建模证实，气味分子结合会引致蛋白质基器件中电流的可测量变化。
• 电流调制归因于配体结合后蛋白质电子结构的变化。
• 由于嗅觉受体蛋白的高特异性，该器件对特定气味分子表现出选择性响应。
• 理论预测表明，电流响应与气味分子浓度呈比例关系，从而实现定量检测。
• 本研究为未来设计具有可调灵敏度和选择性的蛋白电学传感器提供了框架。
• 所提出的系统展示了基于蛋白质的电子器件在生物传感应用中的概念验证。