生物合成镍-有机框架中的高效长程导电 | 上海楷树化学科技有限公司

首页 > 行业动态 > 生物合成镍-有机框架中的高效长程导电

生物合成镍-有机框架中的高效长程导电

摘要
安特卫普大学Henricus T. S. Boschker老师与VIB-VUB结构生物学中心Han Remaut老师团队合作在Nature Communications（2026, 17:8814, DOI: 10.1038/s41467-026-76989-0）中报道，电缆细菌细胞包膜中的导电纤维内嵌有一种延展的镍-有机框架结构。该框架由相互缠绕的纳米带束组成，每条纳米带由多个镍中心通过有机二硫醇烯配体连接而成的堆叠重复单元构建。这一金属-有机超分子架构提供了广泛的共轭与电子离域，从而实现了宏观尺度上的卓越导电性（电导率高达500 S/cm）。该发现揭示了生物基电子材料的全新设计原则，并为金属-有机框架的生物合成开辟了新方向。

研究背景
1. 行业问题：
生物基电子学旨在实现可持续电子器件的颠覆性创新，但生物材料本征电导率过低是核心瓶颈，无法与印刷电子中使用的金属基导电墨水或导电有机聚合物竞争。
2. 现有方案：
传统导电蛋白体系依赖含铁辅因子（如Fe-S簇、血红素）作为电子中继中心，通过非相干的热激活"跳跃"机制实现电子传递。然而，电缆细菌的拉曼光谱表明其导电纤维不含铁基辅因子，而含硫配位的镍配合物；模型分析也表明其导电速度远超非绝热跳跃机制所能解释的范围。
3. 本文创新：
作者首次揭示电缆细菌导电纤维中嵌入延展的镍-有机框架，该结构完全不同于传统导电蛋白的跳跃架构，而是通过金属-有机超分子共轭实现长程电子离域导电，为生物基电子材料提供了全新设计原理。

实验部分
1. 纤维亚结构表征实验：
从克隆富集培养物中分离电缆细菌单根菌丝，通过扫描电子显微镜（SEM）观察菌丝外表面平行脊状结构（宽度134±3 nm），并结合局部收缩特征确认内部细胞-细胞界面，揭示了纤维网络的精细亚结构。
2. 纳米带束结构解析：
通过高分辨电子显微镜（包括STEM-EELS、EDX等）对纤维内部进行元素映射，发现纤维中心富集镍元素，并呈现出相互缠绕的纳米带束结构，每条纳米带由堆叠的重复单元组成，镍中心通过有机二硫醇烯配体桥连。
3. 光谱学验证实验：
利用拉曼光谱确认纤维中含有硫配位的镍配合物特征信号，排除了铁基辅因子的存在；同步辐射X射线吸收光谱（XANES/EXAFS）进一步确认镍的配位环境和氧化态，证实镍-有机框架的化学组成。
4. 电学性能测试：
对单根纤维进行电学表征，测得电导率高达500 S/cm，与印刷电子中使用的导电墨水相当，远超已知生物材料的导电水平。
实验突破： 首次在生物材料中发现延展的金属-有机框架结构，其导电机制完全突破传统蛋白跳跃传导范式，为生物合成MOFs和生物基导电材料开辟全新方向。

分析测试
1. 形貌与结构表征：
SEM显示菌丝表面平行脊状结构，宽度134±3 nm；高分辨TEM/STEM揭示纤维内部为相互缠绕的纳米带束，纳米带具有长程有序排列特征，这在生物材料中极为罕见。
2. 元素分析：
STEM-EDX和EELS元素映射明确显示纤维中心镍元素高度富集，硫元素与镍共定位，证实镍-二硫醇烯配位结构的存在。
3. 光谱分析：
拉曼光谱显示硫配位镍配合物特征峰，排除铁基辅因子；同步辐射XAS确认镍的配位几何和氧化态，为镍-有机框架的化学结构提供直接证据。
4. 电学测试：
单纤维电导率高达500 S/cm，导电性能可与传统电子墨水媲美，且导电机理为电子离域而非热激活跳跃。
测试结果揭示： 电缆细菌通过生物合成镍-有机框架实现宏观尺度高效导电，该框架的共轭结构和电子离域特性是其超高导电性的根本原因，为理解生物导电提供了全新视角。

机理分析
1. 导电机理：
镍-有机框架中，镍中心通过二硫醇烯配体桥连形成延展共轭体系，电子可在整个框架中离域传输，而非传统蛋白中依赖辅因子间跳跃的局域化机制。这种离域导电模式使电子传递速度远超非绝热跳跃，解释了模型分析中观察到的异常快速导电现象。
2. 结构-功能关系：
纳米带束的相互缠绕结构提供了机械柔韧性，堆叠重复单元确保共轭连续性，镍-二硫醇烯键的强共价特征赋予结构稳定性，三者协同实现了高导电性与生物相容性的统一。
3. 生物学意义：
该发现表明微生物进化早已探索金属-有机构型以实现柔性高导电结构，突破了"金属-有机框架不能由生物体合成"的传统认知。

总结
本文首次揭示电缆细菌导电纤维中嵌入延展的镍-有机框架结构，该框架由镍中心与二硫醇烯配体构成的堆叠纳米带束组成，通过广泛共轭和电子离域实现宏观尺度高效导电（500 S/cm）。这一发现颠覆了传统导电蛋白的跳跃传导范式，确立了生物合成金属-有机框架的可行性，为生物基电子材料的设计提供了全新原理。

文章标题：Highly efficient long-range conduction through a biosynthetic nickel-organic framework
作者：Filip J. R. Meysman, Bent Smets, Silvia Hidalgo-Martinez, Nathalie Claes, Bob C. Schroeder, Jeanine S. Geelhoed, Yun Liu, Jiji Alingapoyil Choyikutty, Tamazouzt Chennit, Thijs Bodson, Alberto Collauto, Maxie M. Roessler, Dmitry Karpov, Sylvain Bohic, Matteo Aramini, Shusaku Hayama, Maxwell Wetherington, Martijn A. Zwijnenburg, Galina Pankratova, Isabel Pintelon, Jean-Pierre Timmermans, Gert Nuyts, Karolien De Wael, Sara Bals, Jo Verbeeck, Han Remaut & Henricus T. S. Boschker
DOI：10.1038/s41467-026-76989-0
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-76989-0

本文为科研用户原创分享，用于学术宣传交流，具体细节请查阅原文。如有错误、侵权，请联系修改删除，未经允许不得复制转载。

安特卫普大学Boschker与VIB-VUB Remaut团队在Nature Communications报道，电缆细菌导电纤维中嵌入延展镍-有机框架，由镍中心与二硫醇烯配体构建的纳米带束通过电子离域实现500 S/cm宏观导电，颠覆传统蛋白跳跃传导范式，为生物基电子材料提供全新设计原理。