 |
Photonic applications of biomaterials
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124922 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Dér, András |
| Title in Hungarian |
Biológiai anyagok fotonikai alkalmazásai |
| Title in English |
Photonic applications of biomaterials |
| Keywords in Hungarian |
fehérjék, nemlineáris optikai tulajdonságok, integrált optika, kvantumösszefonódás |
| Keywords in English |
proteins, nonlinear optical properties, integrated optics, quantum entanglement |
| Discipline |
| Biophysics (Council of Physical Sciences) | 50 % | | Material Science and Technology (electronics) (Council of Physical Sciences) | 30 % | | Physics (Council of Physical Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Optical and dielectric properties |
|
| Panel |
Physics 1 |
| Department or equivalent |
Institute of Biophysics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Búzás, András
Fábián, László
Gombos, Zoltán
Kelemen, Lóránd
Kincses, András
Násztor, Zoltán
Szegletes, Zsolt
Valkai, Sándor
Zakar, Tomas
Zimányi, László
|
| Starting date |
2017-12-01 |
| Closing date |
2022-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
47.986 |
| FTE (full time equivalent) |
18.17 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az integrált optika fontos alapproblémája olyan anyagok felkutatása, amelyekkel megoldható az optikai áramkörök aktív fényvezérlése. Az e területen folyó intenzív kutatások ellenére eddig még nem találtak minden szempontból megfelelő nemlineáris optikai anyagokat.
Tervezett kutatásaink arra irányulnak, hogy fiziológiai funkcióik alapján ígéretesnek mutatkozó fényérzékeny fehérjék – így a fotoaktív sárga fehérje, vagy a fikobiliproteinek - nemlineáris optikai tulajdonságait kutassuk, illetve összehasonlítsuk ezeket az – erre a célra részben már kipróbált – bakteriorodopszin hasonló paramétereivel. A fehérjékből készített szárított filmekből és innovatív integrált optikai elemekből épített hibrid – fotopolimer-, illetve porózus szilícium-alapú - struktúrák segítségével optikai kapcsolási kísérleteket fogunk végezni a látható és a közeli infravörös spektrumtartományokban. Terveink között szerepel, hogy - a kvantumösszefonódás jelenségét felhasználva - a kapcsolási jelenséget a telekommunikációs tartományra is kiterjesztjük.
Az eredmények várhatóan értékes tanulságokkal szolgálnak az integrált fotonikai kutatások számára, hiszen hozzájárulhatnak az aktív fotonikai anyagok előállítását célzó stratégiák alakításához. Hosszabb távon arra számítunk, hogy kutatásaink – a hasonló célzatú nemzetközi erőfeszítésekkel együtt – a biofotonika új ágának kialakításához vezethetnek, amelynek fő jellemzője, hogy a biológiát alkalmazza a fotonikában, ezért -a hagyományos biofotonikai alkalmazásoktól megkülönböztetve – „Fotobionikának” nevezhetjük.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Korábbi kísérleteink alapján azt a munkahipotézist állítottuk fel, amely szerint egyes biológiai anyagokból – pl. fotokrom fehérjékből – készített filmek alkalmasak lehetnek arra, hogy integrált optikai áramkörök aktív elemeként funkcionáljanak. A kromoproteineket az evolúció évmilliárdjai tökéletesítették olyan alapvető funkciók betöltésére, mint a biológiai fényenergia-átalakítás és információfeldolgozás. A kromoforjaikat körülvevő fehérjetörzs stabilizáló és finomhangoló hatással rendelkezik, ami jelentős előnynek számít az integrált optikai felhasználásra szánt szintetikus szerves festékekkel szemben. Ugyanakkor a biológiai anyagok integrált optikai felhasználása számos technikai problémát is felvet, mint például a passzív fotonikus struktúrák és a biofilmek közti csatolás megfelelő kialakítása, a kapcsolási hatásfok javítása, illetve az információtovábbítás megoldása a telekommunikációs tartományban.
A jelen pályázat keretében kitérünk mindezen problémák lehetséges megoldásának keresésére, majd a biofilmekből és innovatív integrált optikai elemekből épített hibrid – fotopolimer-, illetve porózus szilícium-alapú - struktúrák segítségével optikai kapcsolási kísérleteket fogunk végezni a látható és a közeli infravörös spektrumtartományokban.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Erősen multidiszciplináris projektünk olyan kutatási „űrt” szándékozik betölteni, melynek célja megtalálni a megfelelő aktív anyagokat az integrált optikai áramkörökben folyó teljesen optikai műveletek kezelésére (végrehajtására). Noha a motiváció a fotonikus alkalmazásokból ered, az alább felsorolt várható eredmények főleg alapkutatási jellegűek és a biológiai fizika (1), mérnöki optika (2) és kísérleti kvantumfizika (3) területébe tartoznak.
1. Fotoaktív sárga fehérje (PYP), illetve fikobiliproteinek (PBP) felhasználásával készített biofilmek nemlineáris optikai tulajdonságainak jellemzése és összehasonlítása a referenciának használható bakteriorodopszin alapú filmekkel.
2. Gyors (legalább szubnanoszekundumos) fotonikus kapcsolás lehetőségének bemutatása az újfajta, PYP vagy PBP alapú biofilmek és integrált optikai struktúrák kombinációjával, a látható és közeli infravörös tartományban.
3. Kvantum-összefonódás kísérletek megvalósítása annak bemutatására, hogy lehetséges a telekom tartományban (1350 vagy 1555 nm közelében) a kapcsolás legalább a három biológiai anyag (bR, PYP, PBP) egyikével.
Ezek az eredmények várhatóan általános jelentőségűek lesznek az integrált fotonika területén azáltal, hogy új stratégiákat szolgáltatnak az információ-technológiában alkalmazható optimális NLO anyagok megtalálására. Számos külföldi laboratórium hasonló törekvéseivel összhangban eredményeink hozzájárulhatnak a biofotonika új ágának a megalapozásához, melyet tentatíve fotobionikának nevezhetünk, ezzel hangsúlyozva azt a tényt, hogy a biológiát használjuk a fotonikában, szemben a biofotonikai alkalmazások többségével, ahol biológiai objektumokat vizsgálnak fotonikai eszközökkel.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A fotonikus struktúrák a hagyományos elektronikai áramköri elemek ígéretes alternatíváit nyújtják, különösen a jövőbeni információtechnológiai alkalmazások terén. A fotonikus „áramkörökben” a hagyományos passzív és aktív elemek, a vezetők és tranzisztorok szerepét ezek optikai analógjai (miniatűr fényvezetők és optikai kapcsolók) veszik át, és ezek dolgozzák fel az információt. Az igazi kihívások egyike megtalálni azokat a nemlineáris optikai anyagokat (NLO) melyek az integrált optikai (IO) áramkörökben aktív módon kezelni tudják az információ áramlását. Erre a speciális alkalmazásra, amely nagy sebességet, érzékenységet, megbízhatóságot és hosszú távú stabilitást igényel, több szervetlen és szerves anyag felmerült már, mindazonáltal eddig még egyik sem bizonyult optimálisnak. Hipotézisünk szerint a bio-anyagok (fotokróm fehérjék) valós alternatívát jelentenek a szintetikus szerves fotonikus anyagokkal szemben, mint az integrált optikai eszközök aktív elemei. Eredményeink megalapozhatják olyan fehérjealapú integrált optikai eszközök megvalósulását, melyek végül a telekommunikációs technológiák fejlődésében koncepcionális forradalomhoz vezethetnek.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Finding the proper nonlinear optical materials for photonic circuits is a key problem in integrated optics. Several inorganic and organic materials have been suggested for utilization as nonlinear optical materials performing light-controlled active functions in integrated optical circuits, however, none of them is considered to be the optimal solution.
In the framework of the present project, we are going to investigate the nonlinear optical properties of thin films prepared from chromoproteins like photoactive yellow protein and phycobiliproteins, and compare them with those prepared from bacteriorhodopsin. Optical switching experiments will be carried out in the visible and near infrared spectral range by hybrid devices containing protein films and innovative integrated optical structures of photopolymer and porous silicon base. The phenomenon of quantum entanglement is going to be utilized to accomplish all-optical routing in the telecom range as well.
The results are assumed to have important implications for integrated photonics in general, by providing new strategies for finding the optimal NLO materials for information technology. Together with results from other labs worldwide fitting to the same trend, they may also contribute to the definition of a new branch of biophotonics, that may be called “photo-bionics”, highlighting the fact that here biology is used in photonics, contrary to the majority of biophotonic applications.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Based on our earlier experiments, our hypothesis is that photochromic biomaterials represent a valid alternative to synthetic organic photonic materials to be utilized in active elements of integrated optical devices. Chromoproteins have been perfected by evolution for billions of years for utilizing light as a source of energy or information. Their protein matrix stabilizes their chromophore, and fine-tunes its optical properties. At the same time, the application of proteins as NLO materials in integrated optics raises non-trivial technical problems, such as the creation of a proper interface between the protein film and the passive photonic circuit, improvement of the switching efficiency, and the capability of information processing at telecom wavelengths.
In the framework of the present proposal, we are going to address all these points and, eventually, develop novel hybrid structures comprising passive, inorganic optical elements and biomaterials of nonlinear optical properties as active parts of integrated optical devices.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The highly multidisciplinary project aims at a niche research, namely finding the proper active materials capable of controlling all-optical operations in integrated optical circuits. Although the motivation comes from the side of photonic applications, the expected results listed below are mainly of basic research nature, involving the disciplines of biological physics (1), engineering optics (2), and experimental quantum physics (3):
1. Characterization of the non-linear optical properties of biofilms created from photoactive yellow protein and phycobiliproteins, in comparision with those of bacteriorhodopsin as a reference
2. Demonstration of the feasibility of fast (at least subnanosecond) photonic switching by the combination of novel biofilms (containing PYP or PBPs) and integrated optical structures in the visible / near infrared range
3. Quantum entanglement experiments for demonstration of routing in the telecom range (near 1350 or 1555 nm), with at least one of the biomaterials (bR, PYP or PBPs)
The results are assumed to have important implications for integrated photonics in general, by providing new strategies for finding the optimal NLO materials for information technology. Together with results from other labs worlwide fitting to the same trend, they may also contribute to the definition of a new branch of biophotonics, that we tentatively call “photo-bionics”, highlighting the fact that here biology is used in photonics, contrary to the majority of biophotonic applications, where biological objects are studied by photonic tools.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Photonic structures offer a promising alternative to conventional electronic ones, especially for future information technological applications. Instead of conductors and transistors, their optical analogues (miniature light guides and optical switches, respectively) are serving as passive and active elements processing information in photonic circuits. One of the biggest challenges in this respect is to find proper nonlinear optical (NLO) materials that are able to actively control the flow of information in integrated optical (IO) circuits. Several inorganic and organic materials have been considered for this special application, requiring high speed, sensitivity, reliability and log-term stability. So far, however, none of them is regarded as the optimal solution. According to our hypothesis biomaterials (photochromic proteins) represent a valid alternative to synthetic organic photonic materials to be utilized in active elements of integrated optical devices. The results may serve as a basis for the future realization of protein-based integrated optical devices that can eventually lead to a conceptual revolution in the development of telecommunications technologies.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Kovacs, Boglarka ; Saftics, Andras ; Biro, Attila ; Kurunczi, Sandor ; Szalontai, Balazs ; Kakasi, Balazs ; Vonderviszt, Ferenc ; Der, Andras ; Horvath, Robert: Kinetics and Structure of Self-Assembled Flagellin Monolayers on Hydrophobic Surfaces in the Presence of Hofmeister Salts, Phys. Chem. C 122: 21375-21386, 2018 | | Szilvia Krekic, Dávid Nagy, László Fábián, László Zimányi, András Dér: Integrated optical investigation of the photocycle of dried Photoactive Yellow Protein films in environments of controlled humidity, www.rbc2018.si/documents/boa_final.pdf, 2018 | | Szilvia Krekic, Stefka Taneva, Dávid Nagy, László Fábián, László Zimányi, András Dér: Spectrokinetic characterization of photoactive yellow protein films for integrated optical applications, https://www.photobiology.eu/photobiology_school, 2018 | | Dér András: Biológiai mikroszkópia összefonódott fotonokkal, https://mta.hu/mtu_esemenynaptar/2018-11-19-feny-es-anyag-hatarok-nelkul-2479, 2018 | | Tonya D. Andreeva, András Dér, Lóránd Kelemen, Rumen Krastev, Stefka G. Taneva: Modulation of the internal structure and surface properties of natural and synthetic polymer matrices by graphene oxide doping, Polymers for Advanced Technologies, közlésre elfogadva, 2019 | | Terezia Kovacs, Balazs Szalontai, Kinga Kłodawska, Radka Vladkova, Przemysław Malec, Zoltan Gombos, Hajnalka Laczko-Dobos: Photosystem I oligomerization affects lipid composition in Synechocystis sp. PCC 68032, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular and Cell Biology of Lipids, Volume 1864, Pages 1384-1395, 2019 | | Szilvia Krekic, Dávid Nagy, Stefka G. Taneva, László Fábián, László Zimányi, András Dér: Spectrokinetic characterization of photoactive yellow protein films for integrated optical applications, European Biophysics Journal, Volume 48, Issue 5, pp 465–473, 2019 | | Szilvia Krekic, László Fábián, Stefka G. Taneva, László Zimányi and András Dér: Integrated optical characterization of light-sensitive protein films, 17th International Congress on Photobiology; 18th Congress of the European Society for Photobiology, Barcelona, Spain, 25-30 August, 2019, Előadás, 2019 | | András Dér: Photopolymerized microstructures in the service of biophotonic applications, International Conference on Polymers for Biosensing and Biochip Applications, 2019. Jan. 17-19, Tainan, Taiwan, Előadás, 2019 | | Dániel Petrovszki, Sándor Valkai, Evelin Gora, Martin Tanner, Péter Fürjes, András Dér: Dielectrophoretically enhanced detection of E.coli cells by an integrated optical biosensor system, 45th Conference on Micro & Nano Engineering, Rhodes, Greece, September 23-26, 2019 | | Petrovszki Dániel, Valkai Sándor, Gora Evelin, Tanner Martin, Bányai Anita, Fürjes Péter és Dér András: E. coli sejtek dielektroforetikusan erősített detektálása integrált optikai bioszenzorral, MBFT XXVII. Kongresszus, 2019. augusztus 26-29., Debrecen, 2019 | | Tonya D. Andreeva, András Dér, Lóránd Kelemen, Rumen Krastev, Stefka G. Taneva: Modulation of the internal structure and surface properties of natural and synthetic polymer matrices by graphene oxide doping, Polymers for Advanced Technologies. 7:1562-1570, 2020 | | András Búzás, Elmar K Wolff, Mihály G Benedict, Pál Ormos, András Dér: Biological Microscopy with Undetected Photons, IEEE Access 8:107539 – 107548, doi: 10.1109/ACCESS.2020.3000740, 2020 | | Szilvia Krekic, Tomás Zakar, Zoltán Gombos, Sándor Valkai, Mark Mero, László Zimányi, Zsuzsanna Heiner, András Dér: Nonlinear Optical Investigation of Microbial Chromoproteins, Front. Plant Sci. 11:547818, doi: 10.3389/fpls.2020.547818, 2020 | | Dániel Petrovszki, Szilvia Krekic, Sándor Valkai, Zsuzsanna Heiner, András Dér: All-Optical Switching Demonstrated with Photoactive Yellow Protein Films, Biosensors, 11(11), 432, 2021 | | Dániel Petrovszki, Sándor Valkai, Evelin Gora, Martin Tanner, Anita Bányai, Péter Fürjes, András Dér: An integrated electro-optical biosensor system for rapid, low-cost detection of bacteria, Microelectronic Engineering, volumes 239–240, 111523, 2021 | | Dániel Petrovszki, Fruzsina R. Walter, Judit P. Vigh, Anna Kocsis, Sándor Valkai, Mária A. Deli, András Dér: Penetration of the SARS-CoV-2 Spike Protein across the Blood–Brain Barrier, as Revealed by a Combination of a Human Cell Culture Model System and Optical Biosensing, Biomedicines 2022, 10(1), 188, 2022 | | Hamdy I.A. Mostafa, Rudolf Tóth-Boconádi, László Dér, László Fábián, Stefka G. Taneva, András Dér, Lajos Keszthelyi: Nonlinear electric response of the diffuse double layer to an abrupt charge displacement inside a biological membrane, Bioelectrochemistry Volume 146, August 2022, 108138, 2022 | | Szilvia Krekic, Mark Mero, András Dér, Zsuzsanna Heiner: Ultrafast all-optical switching demonstrated on bacteriorhodopsin and photoactive yellow protein films, In Conference on Lasers and Electro-Optics, Technical Digest Series (Optica Publishing Group, 2022), paper SF2O.6. https://opg.optica.org/abstract.cfm?URI=CLEO_SI-2022-SF, 2022 | | Krekic, Szilvia; Mero, Mark; Der, Andras; Heiner, Zsuzsanna: Ultrafast all-optical switching using doped chromoprotein films, Journal of Applied Physics C, Manuscript ID: jp-2022-06232f, közlésre elfogadva, 2023 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
