ננו-חוטי חיידקים יוצרים רשת חשמלית באדמה - עולם הפיזיקה

מכיוון שאין הרבה חמצן עמוק מתחת לאדמה, החיידקים שחיים שם פיתחו דרכים אחרות להיפטר מהאלקטרונים שהם מייצרים כשהם "נושמים". אחת הדרכים לעקיפת הבעיה כרוכה בשליחת חוטים מוליכים - ננו-חוטים - לתוך האדמה כדי לפזר את האלקטרונים, אך פרטים חשובים של תהליך זה חמקו מהבנתם של ביו-פיזיקאים.

חוקרים ב אוניברסיטת ייל, אנחנו ו אוניברסיטת NOVA ליסבון בפורטוגל מצאו כעת את זה עבור חיידקים בסוג Geobacter, משפחת חלבונים יחידה פועלת כמו סדרה של "תקעים" המחברים חשמלית לטעינת ננו-חוטי מיקרוביאליים אלה. הממצא מפשט מאוד את המודל של האופן שבו חיידקים אלה מייצאים אלקטרונים, והצוות אומר ש"מכונות חיווט מינימליות" זו עשויה להיות נפוצה בקרב מיני חיידקים.

לחיידקים שחיים באדמה יש שתי דרכים לתרום את האלקטרונים שהם מייצרים למקבלי אלקטרונים חיצוניים. הראשון כרוך בהעברת האלקטרונים למינרלים בקרקע ומכונה העברת אלקטרונים חוץ-תאית (EET). השני, העברת אלקטרונים בין המינים הישירה (DIET), מערב מינים שותפים. שני התהליכים חיוניים ליכולתם של החיידקים לשרוד וליצור קהילות, אך הם עלולים להיות לא יעילים. כמו חיידקים Geobacter לכן התפתחו לייצור ננו-חוטים מוליכים המאפשרים EET מהיר יותר וארוך טווח.

חמישה חלבונים

משפחת החלבונים ה ייל-חדש הצוות שזוהה כמפתח לפעולת הננו-חוטים הללו מכיל חמישה חלבונים. כולם שוכנים בחלל שבין הממברנה הפנימית והחיצונית של החיידק - הפריפלזמה החיידקית - והם ידועים בשם ציטוכרום פריפלסמי ABCDE (PpcA-E). חלבונים אלה מחדירים אלקטרונים לחוטים על משטחי חיידקים הפועלים כננו-חוטים, ויוצרים חיבור חשמלי ל"נשימה מתכתית" Geobacter.

חיבור חשמלי זה מאפשר Geobacter להעביר עודפי אלקטרונים המיוצרים במהלך חילוף החומרים למינרלים באדמה ללא צורך במתווכים, מסבירה של ייל. ניכיל מלבנקר, שהוביל את המחקר יחד עם קרלוס סלגיירו at חדש. למעשה, החלבונים פועלים כפקקים בתוך "רשת חשמלית" טבעית המבוססת על אדמה. רשת זו עשויה להיות אחראית לאפשר לסוגים רבים של חיידקים לשרוד ולתמוך בחיים, אומרים החוקרים.

בוכנות מיקרוסקופיות דוחפות חוטים עשויים ציטוכרומים

למרות שנוטים חיידקיים נצפו לראשונה בשנת 2002, מדענים חשבו בתחילה שהם מורכבים ממה שנקרא חלבוני פילי ("פילי" פירושו "שערות" בלטינית). לחיידקים רבים יש פילי על פני השטח שלהם, ונתונים גנטיים העלו כי חוטים דמויי שיער אלה יכולים למלא תפקיד דומה ב Geobacter, אומר מלבנקר. אולם בשנת 2021, חוקרים במעבדה של מלבנקר פתרו את המבנה האטומי של פילי והראו שהם במקום זאת פועלים כבוכנות שדוחפות חוטים המורכבים מציטוקרומים. בנוסף, המבנים האטומיים של ציטוכרומים הידועים בשם OmcS ו- OmcZ כוללים שרשרת של מולקולות Heme המכילות מתכת הנושאות אלקטרונים (אדום בתמונה למעלה).

בעוד שמבנים אטומיים אלה הסבירו כיצד ננו-חוטים מעבירים אלקטרונים, הקשר בין הננו-חוטים לפני השטח של החיידקים נותר בגדר תעלומה, הוא מוסיף. הסיבה לכך היא שרוב משטחי התא אינם מוליכים חשמלית.

"חשבו שמשפחה נוספת של חלבונים המוטבעים בקרום החיידקים, הנקראת ציטוכרומים פורין, אחראית לחיבור הזה למרות שחיידקים מסוגלים להעביר חשמל גם בהיעדרם", מסביר מלבנקר. "הנוכחות של חלבונים פריפלסמיים המעבירים אלקטרונים לננו-חוטים מבטלת את הצורך בכל נושאי אלקטרונים ביניים ומסבירה כיצד תאים מעבירים אלקטרונים בקצב מהיר להפליא (מיליון אלקטרונים בשנייה), למרות שהאלקטרונים בחלבונים יכולים לנוע בקצב של לפחות פי 10 איטי יותר."

בדיקת הקשר בין PpcA-E ו- OmcS

החוקרים התחילו במדידת האנרגיה של אלקטרונים ב-OmcS. הם גילו שזה אותו דבר כמו ב-PpcA-E, איזה חבר צוות קתרין שיפס אומר הפתיע כי מדידת OmcS הייתה צפויה להיות שונה ב-0.1 V. "בזמן המדידות הראשונות על OmcS (ב-2011), לא ידענו ש-OmcS יצר ננו-חוטים", אומר Shipps, שביצע את החלק הזה של העבודה . "המדידות הקודמות הללו נעשו על ידי התייחסות לציטוקרומים כלא חוטיים, דבר שיכול להסביר את הפער הגדול הזה."

בשנת 2015, Salgueiro ועמיתיו ב-NOVA שיערו כי PpcA-Es יכולים להעביר אלקטרונים ל-OmcS. עם זאת, בדיקת השערה זו לא הייתה ריאלית באותו זמן בגלל הקושי בהשגת ננו-חוטי OmcS מטוהרים. מלוואנקר אומר שהממצא של Shipps הוסיף לתמונה בכך שהציע ש-PpcA-E יכול לתרום אלקטרונים ישירות ל-OmcS - משהו שחבר צוות אחר, וישוק סריקנת', שהוצע לאחר ששמתי לב ש-OmcS ו-PpcA-E נשארים יחד כשהם מופקים מחיידקים. "כל התוצאות הללו הובילו אותנו להציע ש-PpcA-E יוכל להעביר אלקטרונים לננו-חוטים", הוא אומר. לאחר מכן, שתי הקבוצות אישרו את השערתן באמצעות ספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית.

"התגלית שלנו מפשטת מאוד את המודל של האופן שבו חיידקים מייצאים אלקטרונים על ידי התגברות על זרימת אלקטרונים איטית בין חלבונים בודדים", אומר מלבנקר עולם הפיזיקה. "הגילוי של עוד אחד מחברי הצוות שלנו, קונג שן, שמשפחת החלבונים הזו היא אבולוציונית ושמורה על פני מינים רבים, לא רק Geobacterפירושו שמכונות החיווט המינימליות הללו יכולות להיות בכל מקום בחיידקים רבים."

החוקרים המדווחים על עבודתם ב תקשורת טבע, מהנדסים כעת את המנגנון החדש שהתגלה לחיידקים שחשובים לאקלים או מסוגלים לייצר דלק ביולוגי. המטרה היא לעזור לאורגניזמים המועילים הללו לגדול מהר יותר. "אנחנו גם עובדים על האופן שבו ננו-חוט נוסף של ציטוכרום OmcZ נטען ומזהים את התפקיד של פורין-ציטוכרומים בתהליכים אלה", אומר מלבנקר.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/