A bakteriális nanovezetékek elektromos hálózatot alkotnak a talajban – Fizika világa

Mivel nincs sok oxigén mélyen a föld alatt, az ott élő baktériumok más módszereket fejlesztettek ki, hogy megszabaduljanak az elektronoktól, amelyeket „légzésükkor” termelnek. Az egyik ilyen megoldás magában foglalja a vezető szálak – nanoszálak – kiküldését a talajba, hogy szétszórják az elektronokat, de ennek a folyamatnak a fontos részletei elkerülték a biofizikusok megértését.

Kutatók a Yale Egyetem, USA és NOVA Egyetem Lisszabon Portugáliában most azt találták, hogy a nemzetséghez tartozó baktériumok esetében Geobacter, egyetlen fehérjecsalád úgy működik, mint egy sor elektromosan összekötő „dugó” ezeknek a mikrobiális nanovezetékeknek a feltöltéséhez. A felfedezés nagyban leegyszerűsíti azt a modellt, hogy ezek a baktériumok hogyan exportálnak elektronokat, és a csapat szerint ez a „minimális huzalozási gépezet” gyakori lehet a baktériumfajok körében.

A talajban élő baktériumok kétféle módon adhatják át az általuk termelt elektronokat külső elektronakceptoroknak. Az első az elektronok talaj ásványokba való átvitelét jelenti, és extracelluláris elektrontranszfernek (EET) nevezik. A második, a közvetlen fajok közötti elektrontranszfer (DIET) partnerfajokat foglal magában. Mindkét folyamat létfontosságú a mikrobák túléléséhez és közösségek kialakításához, de hatástalanok lehetnek. Baktériumok, mint Geobacter Ezért olyan vezetőképes nanohuzalok előállítására fejlődtek ki, amelyek gyorsabb, nagy hatótávolságú EET-t tesznek lehetővé.

Öt fehérje

A fehérjecsalád a Yale-ÚJ A nanohuzalok működésének kulcsaként azonosított csapat öt fehérjét tartalmaz. Mindegyik a baktérium belső és külső membránja – a bakteriális periplazma – közötti térben található, és periplazmatikus citokróm ABCDE (PpcA-E) néven ismertek. Ezek a fehérjék elektronokat fecskendeznek be a bakteriális felületeken lévő filamentumokba, amelyek nanohuzalként működnek, elektromos kapcsolatot hozva létre a „fém légzéshez”. Geobacter.

Ez az elektromos csatlakozás lehetővé teszi Geobacter Az anyagcsere során keletkező felesleges elektronok közvetítők nélkül történő átvitele a talajban lévő ásványi anyagokba – magyarázza a Yale. Nikhil Malvankar, aki együtt vezette a vizsgálatot Carlos Salgueiro at ÚJ. Lényegében a fehérjék dugóként működnek a természetes talajalapú „elektromos rácsban”. A kutatók szerint ez a rács lehet a felelős azért, hogy sokféle mikroba túlélje és fenntartsa az életet.

A mikroszkopikus dugattyúk citokrómokból készült szálakat nyomnak

Bár először 2002-ben figyeltek meg baktériumfonalakat, a tudósok kezdetben úgy gondolták, hogy úgynevezett pili fehérjékből állnak (a „pili” latinul „szőrszálakat” jelent). Sok baktérium felszínén vannak pilusok, és a genetikai adatok arra utalnak, hogy ezek a szőrszerű filamentumok hasonló szerepet játszhatnak Geobacter mondja Malvankar. 2021-ben azonban Malvankar laboratóriumának kutatói megoldották a pili atomszerkezetét, és kimutatták, hogy ehelyett dugattyúként működnek, amelyek citokrómokból álló szálakat tolnak. Ezenkívül az OmcS és OmcZ néven ismert citokrómok atomi szerkezete fémtartalmú hemmolekulák láncát tartalmazza, amelyek elektronokat hordoznak (piros a fenti képen).

Míg ezek az atomi szerkezetek megmagyarázták, hogyan szállítanak elektronokat a nanohuzalok, a nanoszálak és a baktériumok felszíne közötti kapcsolat továbbra is rejtély maradt, teszi hozzá. Ennek az az oka, hogy a legtöbb sejtfelület elektromosan nem vezető.

"Azt hitték, hogy a baktériummembránba ágyazott fehérjék egy másik családja, az úgynevezett porin citokrómok felelősek ezért a kapcsolatért, annak ellenére, hogy a baktériumok még távollétükben is képesek elektromos áramot továbbítani" - magyarázza Malvankar. "Az elektronokat nanoszálakra átvivő periplazmatikus fehérjék jelenléte szükségtelenné teszi a közbenső elektronhordozókat, és megmagyarázza, hogy a sejtek hogyan továbbítják az elektronokat rendkívül gyors sebességgel (másodpercenként egymillió elektron), még akkor is, ha a fehérjékben lévő elektronok legalább 10-szeres sebességgel tudnak mozogni. lassabb.”

A PpcA-E és az OmcS közötti kapcsolat kidolgozása

A kutatók az elektronok energiájának mérésével kezdték az OmcS-ben. Azt találták, hogy ugyanaz, mint a PpcA-E-ben, amely csapattag Catharine Shipps meglepő volt, mert az OmcS-mérés várhatóan 0.1 V-tal tér el. „Az OmcS-en végzett első mérések idején (2011-ben) még nem tudtuk, hogy az OmcS nanovezetékeket alkot” – mondja Shipps, aki a munka ezen részét elvégezte. . "Ezeket a korábbi méréseket úgy végezték, hogy a citokrómokat nem fonalasként kezelték, ami megmagyarázhatja ezt a nagy eltérést."

2015-ben Salgueiro és munkatársai a NOVA-nál azt feltételezték, hogy a PpcA-E elektronokat továbbíthat az OmcS-be. Ennek a hipotézisnek a tesztelése azonban akkoriban nem volt megvalósítható a tisztított OmcS nanovezetékek beszerzésének nehézségei miatt. Malvankar azt mondja, hogy Shipps felfedezése azzal járult hozzá a képhez, hogy azt sugallta, hogy a PpcA-E közvetlenül adományozhat elektronokat az OmcS-nek – amit egy másik csapattag tett. Vishok Srikanth, amelyet azután javasoltak, hogy észrevette, hogy az OmcS és a PpcA-E együtt marad, amikor a baktériumokból kivonják. „Mindezek az eredmények arra késztettek bennünket, hogy azt sugalljuk, hogy a PpcA-E elektronokat adhat át nanovezetékeknek” – mondja. A két csoport ezután magmágneses rezonancia spektroszkópiával megerősítette hipotézisét.

"Felfedezésünk nagyban leegyszerűsíti azt a modellt, hogy a baktériumok hogyan exportálnak elektronokat azáltal, hogy legyőzik az egyes fehérjék közötti lassú elektronáramlást" - mondja Malvankar. Fizika Világa. „Csapatunk egy másik tagjának felfedezése, Cong Shen, hogy ez a fehérjecsalád evolúciós és sok fajban konzervált, nem csak Geobacter, azt jelenti, hogy ez a minimális vezetékrendszer sok baktériumban mindenütt jelen lehet.”

A kutatók, akik beszámolnak munkájukról Nature Communications, most az újonnan felfedezett mechanizmust olyan baktériumokká alakítják, amelyek fontosak az éghajlat szempontjából vagy képesek bioüzemanyag előállítására. A cél az, hogy elősegítsük ezeknek a hasznos szervezeteknek a gyorsabb növekedését. „Azon is dolgozunk, hogy egy másik citokróm OmcZ nanoszál töltődik, és meghatározzuk a porin-citokrómok szerepét ezekben a folyamatokban” – mondja Malvankar.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/