I nanofili batterici creano una rete elettrica nel suolo – Physics World

Poiché non c'è molto ossigeno nelle profondità del sottosuolo, i batteri che vivono lì hanno sviluppato altri modi per liberarsi degli elettroni che producono quando “respirano”. Una di queste soluzioni alternative prevede l’invio di filamenti conduttivi – nanofili – nel terreno per disperdere gli elettroni, ma importanti dettagli di questo processo sono sfuggiti alla comprensione dei biofisici.

Ricercatori a Università di Yale, Stati Uniti e Università NOVA di Lisbona in Portogallo hanno ora scoperto che per i batteri del genere Geobatteri, una singola famiglia di proteine ​​agisce come una serie di “spine” collegate elettricamente per caricare questi nanofili microbici. La scoperta semplifica notevolmente il modello di come questi batteri esportano gli elettroni e il team afferma che questo “macchina di cablaggio minimo” potrebbe essere comune tra le specie batteriche.

I batteri che vivono nel suolo hanno due modi per donare gli elettroni che producono agli accettori di elettroni esterni. Il primo prevede il trasferimento degli elettroni ai minerali del suolo ed è noto come trasferimento di elettroni extracellulare (EET). Il secondo, il trasferimento elettronico interspecie diretto (DIET), coinvolge le specie partner. Entrambi i processi sono vitali per la capacità dei microbi di sopravvivere e formare comunità, ma possono essere inefficienti. Piace ai batteri Geobatteri si sono quindi evoluti per produrre nanofili conduttivi che facilitano EET più veloci e a lungo raggio.

Cinque proteine

La famiglia delle proteine ​​the Yale-NOVA Il team identificato come fondamentale per il funzionamento di questi nanofili contiene cinque proteine. Risiedono tutti nello spazio tra la membrana interna ed esterna dei batteri – il periplasma batterico – e sono noti come citocromo periplasmatico ABCDE (PpcA-E). Queste proteine ​​iniettano elettroni nei filamenti sulle superfici batteriche che agiscono come nanofili, creando una connessione elettrica per la “respirazione del metallo” Geobatteri.

Questo collegamento elettrico consente Geobatteri trasferire gli elettroni in eccesso prodotti durante il metabolismo ai minerali del suolo senza bisogno di intermediari, spiega Yale Nikhil Malvankar, con cui ha co-condotto lo studio Carlos Salgueiro at NOVA. In sostanza, le proteine ​​agiscono come connettori all’interno di una “rete elettrica” naturale basata sul suolo. Questa griglia potrebbe essere responsabile di consentire a molti tipi di microbi di sopravvivere e sostenere la vita, dicono i ricercatori.

Pistoni microscopici spingono i filamenti costituiti da citocromi

Sebbene i filamenti batterici siano stati osservati per la prima volta nel 2002, inizialmente gli scienziati pensavano che fossero costituiti dalle cosiddette proteine ​​pili (“pili” significa “peli” in latino). Molti batteri hanno pili sulla loro superficie e i dati genetici suggeriscono che questi filamenti simili a capelli potrebbero svolgere un ruolo simile Geobacter, dice Malvankar. Nel 2021, tuttavia, i ricercatori del laboratorio di Malvankar hanno risolto la struttura atomica dei pili e hanno dimostrato che agiscono invece come pistoni che spingono i filamenti costituiti da citocromi. Inoltre, le strutture atomiche dei citocromi note come OmcS e OmcZ includono una catena di molecole eme contenenti metalli che trasportano elettroni (rosse nell'immagine sopra).

Mentre queste strutture atomiche spiegano come i nanofili trasportano gli elettroni, la connessione tra i nanofili e la superficie dei batteri è rimasta un mistero, aggiunge. Questo perché la maggior parte delle superfici cellulari sono elettricamente non conduttrici.

"Si pensava che un'altra famiglia di proteine ​​incorporate nella membrana batterica, chiamate citocromi porinici, fosse responsabile di questa connessione, nonostante i batteri siano in grado di trasmettere elettricità anche in loro assenza", spiega Malvankar. “La presenza di proteine ​​periplasmatiche che trasferiscono elettroni ai nanofili elimina la necessità di qualsiasi trasportatore di elettroni intermedio e spiega come le cellule trasmettono elettroni a una velocità notevolmente elevata (un milione di elettroni al secondo), anche se gli elettroni nelle proteine ​​possono muoversi a velocità almeno 10 volte Più lentamente."

Elaborazione della relazione tra PpcA-E e OmcS

I ricercatori hanno iniziato misurando l’energia degli elettroni in OmcS. Hanno scoperto che era lo stesso di PpcA-E, quale membro del team Caterina Shipps afferma che era sorprendente perché ci si aspettava che la misurazione di OmcS differisse di 0.1 V. "Al momento delle prime misurazioni su OmcS (nel 2011), non sapevamo che OmcS formasse nanofili", afferma Shipps, che ha eseguito questa parte del lavoro . “Queste misurazioni precedenti sono state effettuate trattando i citocromi come non filamentosi, cosa che potrebbe spiegare questa grande discrepanza”.

Nel 2015, Salgueiro e colleghi di NOVA hanno ipotizzato che i PpcA-E potessero trasferire elettroni a OmcS. Tuttavia, testare questa ipotesi non era fattibile all’epoca a causa della difficoltà di ottenere nanofili OmcS purificati. Malvankar afferma che la scoperta di Shipps si è aggiunta al quadro suggerendo che PpcA-E potrebbe donare elettroni direttamente a OmcS – qualcosa che un altro membro del team, Vishok Srikanth, proposto dopo aver notato che OmcS e PpcA-E rimangono insieme quando vengono estratti dai batteri. "Tutti questi risultati ci hanno portato a proporre che PpcA-E potrebbe trasferire gli elettroni ai nanofili", afferma. I due gruppi hanno poi confermato la loro ipotesi utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare.

"La nostra scoperta semplifica notevolmente il modello di come i batteri esportano elettroni superando il lento flusso di elettroni tra le singole proteine", dice Malvankar Mondo della fisica. “La scoperta di un altro membro del nostro team, Cong Shen, che questa famiglia di proteine ​​è evolutiva e conservata in molte specie, non solo Geobatteri, significa che questo meccanismo di cablaggio minimo potrebbe essere onnipresente in molti batteri”.

I ricercatori, che riportano il loro lavoro in Nature Communications, stanno ora ingegnerizzando il meccanismo appena scoperto in batteri importanti per il clima o in grado di produrre biocarburanti. L’obiettivo è aiutare questi organismi benefici a crescere più velocemente. “Stiamo anche lavorando su come viene caricato un altro nanofilo del citocromo OmcZ e identificando il ruolo dei citocromi porinici in questi processi”, afferma Malvankar.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/