نانوسیم های باکتریایی یک شبکه الکتریکی در خاک ایجاد می کنند - دنیای فیزیک

از آنجایی که اکسیژن زیادی در اعماق زمین وجود ندارد، باکتری‌هایی که در آنجا زندگی می‌کنند روش‌های دیگری را برای خلاص شدن از شر الکترون‌هایی که هنگام «نفس کشیدن» تولید می‌کنند، تکامل داده‌اند. یکی از این راه‌حل‌ها شامل ارسال رشته‌های رسانا - نانوسیم‌ها - به داخل خاک برای پراکنده کردن الکترون‌ها است، اما جزئیات مهم این فرآیند از درک بیوفیزیکدانان دور مانده است.

محققان در دانشگاه ییل، ایالات متحده و دانشگاه NOVA لیسبون در پرتغال اکنون متوجه شده اند که برای باکتری های این جنس ژئوباکتریک خانواده پروتئین منفرد مانند یک سری از "شاخه‌های" اتصال الکتریکی برای شارژ این نانوسیم‌های میکروبی عمل می‌کند. این یافته مدل نحوه صادرات الکترون این باکتری‌ها را بسیار ساده می‌کند و تیم می‌گوید این «دستگاه سیم‌کشی حداقل» ممکن است در میان گونه‌های باکتریایی رایج باشد.

باکتری هایی که در خاک زندگی می کنند دو روش برای اهدای الکترون های تولید شده به گیرنده های الکترون خارجی دارند. اولین مورد شامل انتقال الکترون ها به مواد معدنی خاک است و به عنوان انتقال الکترون خارج سلولی (EET) شناخته می شود. دوم، انتقال مستقیم الکترون بین گونه ای (DIET)، شامل گونه های شریک است. هر دو فرآیند برای توانایی میکروب ها برای بقا و تشکیل جوامع حیاتی هستند، اما می توانند ناکارآمد باشند. مانند باکتری ژئوباکتر بنابراین برای تولید نانوسیم‌های رسانا تکامل یافته‌اند که EET سریع‌تر و دوربرد را تسهیل می‌کنند.

پنج پروتئین

خانواده پروتئین ییل-NEW تیمی که به عنوان کلید عملکرد این نانوسیم ها شناسایی شده است، حاوی پنج پروتئین است. همه آنها در فضای بین غشای داخلی و خارجی باکتری - پری پلاسم باکتریایی - قرار دارند و به نام سیتوکروم پری پلاسمیک ABCDE (PpcA-E) شناخته می شوند. این پروتئین‌ها الکترون‌ها را به رشته‌های روی سطوح باکتریایی تزریق می‌کنند که مانند نانوسیم عمل می‌کنند و یک اتصال الکتریکی برای «تنفس فلزی» ایجاد می‌کنند. ژئوباکتر.

این اتصال الکتریکی اجازه می دهد ژئوباکتر ییل توضیح می دهد که برای انتقال الکترون های اضافی تولید شده در طول متابولیسم به مواد معدنی در خاک بدون نیاز به واسطه. نیکیل ملوانکار، که این مطالعه را با هم رهبری کردند کارلوس سالگیرو at NEW. در اصل، پروتئین ها به عنوان شاخه در یک "شبکه الکتریکی" طبیعی مبتنی بر خاک عمل می کنند. به گفته محققان، این شبکه ممکن است مسئول اجازه دادن به بسیاری از انواع میکروب ها برای زنده ماندن و پشتیبانی از زندگی باشد.

پیستون های میکروسکوپی رشته های ساخته شده از سیتوکروم را فشار می دهند

اگرچه رشته های باکتریایی برای اولین بار در سال 2002 مشاهده شد، دانشمندان در ابتدا تصور کردند که آنها از پروتئین های به اصطلاح pili ("pili" در لاتین به معنی "مو" است) ساخته شده اند. بسیاری از باکتری ها روی سطح خود پیلی دارند و داده های ژنتیکی نشان می دهد که این رشته های مو مانند می توانند نقش مشابهی در ژئوباکتر، ملوانکار می گوید. با این حال، در سال 2021، محققان در آزمایشگاه ملوانکار ساختار اتمی پیلی را حل کردند و نشان دادند که در عوض به عنوان پیستون عمل می کنند که رشته های تشکیل شده از سیتوکروم ها را فشار می دهند. علاوه بر این، ساختارهای اتمی سیتوکروم‌های معروف به OmcS و OmcZ شامل زنجیره‌ای از مولکول‌های هِم حاوی فلز است که الکترون‌ها را حمل می‌کنند (در تصویر بالا قرمز).

او می‌افزاید در حالی که این ساختارهای اتمی چگونگی انتقال الکترون‌ها توسط نانوسیم‌ها را توضیح می‌دهند، ارتباط بین نانوسیم‌ها و سطح باکتری همچنان یک راز باقی مانده است. این به این دلیل است که بیشتر سطوح سلول از نظر الکتریکی نارسانا هستند.

ملوانکار توضیح می‌دهد: «تصور می‌شد که خانواده دیگری از پروتئین‌های تعبیه‌شده در غشای باکتری به نام سیتوکروم‌های پورین، مسئول این ارتباط هستند، علی‌رغم اینکه باکتری‌ها می‌توانند الکتریسیته را حتی در غیابشان منتقل کنند». وجود پروتئین‌های پری پلاسمیک که الکترون‌ها را به نانوسیم‌ها منتقل می‌کنند، نیاز به هر گونه حامل الکترون میانی را از بین می‌برد و توضیح می‌دهد که چگونه سلول‌ها الکترون‌ها را با سرعت بسیار سریع (یک میلیون الکترون در ثانیه) منتقل می‌کنند، حتی اگر الکترون‌های موجود در پروتئین‌ها می‌توانند با سرعتی حداقل 10 برابر حرکت کنند. آرام تر."

بررسی رابطه بین PpcA-E و OmcS

محققان با اندازه گیری انرژی الکترون ها در OmcS شروع کردند. آنها دریافتند که این همان چیزی است که در PpcA-E، کدام عضو تیم است کاترین کشتی شیپس که این بخش از کار را انجام داد، می‌گوید: «در زمان اولین اندازه‌گیری‌ها در OmcS (در سال 0.1)، ما نمی‌دانستیم که OmcS نانوسیم‌ها را تشکیل می‌دهد، تعجب‌آور بود زیرا انتظار می‌رفت اندازه‌گیری OmcS 2011 V متفاوت باشد. . این اندازه‌گیری‌های قبلی با در نظر گرفتن سیتوکروم‌ها به‌عنوان غیر رشته‌ای انجام شد، چیزی که می‌تواند این اختلاف بزرگ را توضیح دهد.»

در سال 2015، Salgueiro و همکارانش در NOVA فرض کردند که PpcA-Es می تواند الکترون ها را به OmcS منتقل کند. با این حال، آزمایش این فرضیه در آن زمان به دلیل دشواری در به دست آوردن نانوسیم های OmcS خالص امکان پذیر نبود. ملوانکار می‌گوید که یافته‌های Shipps با پیشنهاد اینکه PpcA-E می‌تواند الکترون‌ها را مستقیماً به OmcS اهدا کند به تصویر اضافه شد - چیزی که یکی دیگر از اعضای تیم، ویشوک سریکانث، پس از توجه به اینکه OmcS و PpcA-E هنگام استخراج از باکتری با هم می مانند پیشنهاد شد. او می‌گوید: «همه این نتایج ما را بر آن داشت تا پیشنهاد کنیم که PpcA-E می‌تواند الکترون‌ها را به نانوسیم‌ها منتقل کند. سپس دو گروه با استفاده از طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته ای فرضیه خود را تایید کردند.

ملوانکار می‌گوید: «کشف ما مدل نحوه صادرات الکترون باکتری‌ها را با غلبه بر جریان الکترون آهسته در بین پروتئین‌های منفرد، بسیار ساده می‌کند. دنیای فیزیک. "کشف یکی دیگر از اعضای تیم ما، کنگ شناین خانواده پروتئینی تکاملی است و در بسیاری از گونه ها، نه فقط، حفظ شده است ژئوباکتر، به این معنی است که این حداقل دستگاه سیم کشی می تواند در بسیاری از باکتری ها در همه جا وجود داشته باشد.

محققانی که کار خود را در طبیعت ارتباطات، اکنون در حال مهندسی مکانیزم جدید کشف شده به باکتری هایی هستند که برای آب و هوا مهم هستند یا قادر به ساخت سوخت های زیستی هستند. هدف کمک به رشد سریعتر این موجودات مفید است. ملوانکار می‌گوید: «ما همچنین در حال کار روی چگونگی شارژ شدن یک نانوسیم دیگر از سیتوکروم OmcZ و شناسایی نقش پورین سیتوکروم‌ها در این فرآیندها هستیم.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/