Bakteerinanolangat muodostavat sähköverkon maaperään – Physics World

Koska syvällä maan alla ei ole paljon happea, siellä elävät bakteerit ovat kehittäneet muita tapoja päästä eroon elektroneista, joita ne tuottavat "hengittäessään". Yksi näistä kiertotavoista on johtavien filamenttien – nanolankojen – lähettäminen maaperään elektronien hajottamiseksi, mutta tämän prosessin tärkeät yksityiskohdat ovat jääneet biofyysikkojen ymmärryksen ulkopuolelle.

Tutkijat Yale University, Yhdysvallat ja NOVA-yliopisto Lissabonissa Portugalissa ovat nyt havainneet, että suvun bakteereille Geobacter, yksi proteiiniperhe toimii kuin sarja sähköisesti yhdistäviä "pistokkeita" näiden mikrobien nanolankojen lataamiseen. Löytö yksinkertaistaa suuresti mallia siitä, kuinka nämä bakteerit vievät elektroneja, ja tiimi sanoo, että tämä "minimijohdotuskoneisto" voi olla yleinen bakteerilajien keskuudessa.

Maaperässä elävillä bakteereilla on kaksi tapaa luovuttaa tuottamiaan elektroneja ulkoisille elektronien vastaanottajille. Ensimmäinen käsittää elektronien siirtämisen maaperän mineraaleihin ja tunnetaan solunulkoisena elektroninsiirrona (EET). Toinen, suora lajien välinen elektroninsiirto (DIET), sisältää kumppanilajeja. Molemmat prosessit ovat elintärkeitä mikrobien kyvylle selviytyä ja muodostaa yhteisöjä, mutta ne voivat olla tehottomia. Bakteerit kuten Geobacter ovat siksi kehittyneet tuottamaan johtavia nanolankoja, jotka mahdollistavat nopeamman ja pitkän kantaman EET:n.

Viisi proteiinia

Proteiiniperhe Yale-UUSI Näiden nanolankojen toiminnan avaimeksi tunnistettu tiimi sisältää viisi proteiinia. Kaikki ne sijaitsevat bakteerin sisä- ja ulkokalvon – bakteerin periplasman – välisessä tilassa, ja niitä kutsutaan periplasmiseksi sytokromi ABCDE:ksi (PpcA-E). Nämä proteiinit ruiskuttavat elektroneja bakteeripintojen filamenteihin, jotka toimivat nanolankoina, luoden sähköisen yhteyden "metallihengitykselle" Geobacter.

Tämä sähköliitäntä mahdollistaa Geobacter siirtää aineenvaihdunnan aikana syntyviä ylimääräisiä elektroneja maaperän mineraaleihin ilman välikäsien tarvetta, selittää Yalen Nikhil Malvankar, joka johti tutkimusta yhdessä Carlos Salgueiro at UUSI. Pohjimmiltaan proteiinit toimivat tulppiena luonnollisessa maaperässä "sähköverkossa". Tämä verkko voi olla vastuussa siitä, että monen tyyppiset mikrobit voivat selviytyä ja tukea elämää, tutkijat sanovat.

Mikroskooppiset männät työntävät sytokromeista valmistettuja filamentteja

Vaikka bakteerifilamentteja havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 2002, tiedemiehet luulivat alun perin niiden koostuvan niin kutsutuista pili-proteiineista ("pili" tarkoittaa "hiuksia" latinaksi). Monien bakteerien pinnalla on pilejä, ja geneettiset tiedot viittaavat siihen, että näillä karvamaisilla filamenteilla voisi olla samanlainen rooli Geobacter, Malvankar sanoo. Vuonna 2021 Malvankarin laboratorion tutkijat kuitenkin ratkaisivat pilien atomirakenteen ja osoittivat, että ne toimivat sen sijaan mäntinä, jotka työntävät sytokromeista koostuvia filamentteja. Lisäksi OmcS- ja OmcZ-nimillä tunnettujen sytokromien atomirakenteet sisältävät ketjun metallia sisältäviä hemimolekyylejä, jotka kuljettavat elektroneja (punainen yllä olevassa kuvassa).

Vaikka nämä atomirakenteet selittivät, kuinka nanolangat kuljettavat elektroneja, nanolankojen ja bakteerin pinnan välinen yhteys jäi mysteeriksi, hän lisää. Tämä johtuu siitä, että useimmat solujen pinnat ovat sähköä johtamattomia.

"Arveltiin, että toinen bakteerikalvoon upotettu proteiiniperhe, nimeltään poriinin sytokromit, oli vastuussa tästä yhteydestä huolimatta siitä, että bakteerit pystyivät välittämään sähköä myös ilman niitä", Malvankar selittää. "Periplasmisten proteiinien läsnäolo, jotka siirtävät elektroneja nanolankoihin, eliminoi elektronien välikantajien tarpeen ja selittää kuinka solut välittävät elektroneja huomattavan nopeasti (miljoona elektronia sekunnissa), vaikka proteiineissa olevat elektronit voivat liikkua vähintään 10-kertaisella nopeudella. hitaammin."

PpcA-E:n ja OmcS:n välisen suhteen selvittäminen

Tutkijat aloittivat mittaamalla elektronien energiaa OmcS:ssä. He huomasivat sen olevan sama kuin PpcA-E:ssä, joka tiimin jäsen Catharine Shipps sanoo, oli yllättävää, koska OmcS-mittauksen odotettiin poikkeavan 0.1 V. "Ensimmäisten OmcS-mittausten aikaan (vuonna 2011) emme tienneet, että OmcS muodosti nanolankoja", sanoo Shipps, joka suoritti tämän osan työstä. . "Nämä aiemmat mittaukset tehtiin käsittelemällä sytokromeja ei-filamenttisina, mikä voisi selittää tämän suuren eron."

Vuonna 2015 Salgueiro ja kollegat NOVA:sta olettivat, että PpcA-Es voisi siirtää elektroneja OmcS:ään. Tämän hypoteesin testaaminen ei kuitenkaan ollut tuolloin mahdollista, koska puhdistettujen OmcS-nanolankojen saaminen oli vaikeaa. Malvankar sanoo, että Shippsin löytö lisäsi kuvaa ehdottamalla, että PpcA-E voisi lahjoittaa elektroneja suoraan OmcS:lle – mitä toinen tiimin jäsen, Vishok Srikanth, ehdotettiin havaittuaan, että OmcS ja PpcA-E pysyvät yhdessä, kun ne uutetaan bakteereista. "Kaikki nämä tulokset saivat meidät ehdottamaan, että PpcA-E voisi siirtää elektroneja nanojohtimiin", hän sanoo. Sitten kaksi ryhmää vahvistivat hypoteesinsa käyttämällä ydinmagneettista resonanssispektroskopiaa.

"Löytömme yksinkertaistaa suuresti mallia siitä, kuinka bakteerit vievät elektroneja voittamalla hitaan elektronivirran yksittäisten proteiinien välillä", Malvankar kertoo. Fysiikan maailma. "Toisen tiimimme jäsenen löytö, Cong Shen, että tämä proteiiniperhe on evoluutionaalinen ja säilynyt monissa lajeissa, ei vain Geobacter, tarkoittaa, että tämä minimaalinen johdotuskoneisto voi olla kaikkialla monissa bakteereissa."

Tutkijat, jotka raportoivat työstään Luonto Viestintä, suunnittelevat nyt äskettäin löydettyä mekanismia bakteereiksi, jotka ovat tärkeitä ilmastolle tai jotka pystyvät valmistamaan biopolttoaineita. Tavoitteena on auttaa näitä hyödyllisiä organismeja kasvamaan nopeammin. "Työskentelemme myös, kuinka toinen sytokromi OmcZ-nanolanka latautuu ja tunnistamme poriini-sytokromien roolin näissä prosesseissa", Malvankar sanoo.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/