Bakterielle nanotråder lager et elektrisk nett i jorda – Physics World

Fordi det ikke er mye oksygen dypt under jorden, har bakteriene som lever der utviklet andre måter å kvitte seg med elektronene de produserer når de "puster". En av disse løsningene innebærer å sende ut ledende filamenter – nanotråder – i jorda for å spre elektronene, men viktige detaljer i denne prosessen har unngått biofysikeres forståelse.

Forskere på Yale University, USA og NOVA Universitetet i Lisboa i Portugal har nå funnet det for bakterier i slekten Geobacter, en enkelt proteinfamilie fungerer som en serie elektrisk koblende "plugger" for å lade disse mikrobielle nanotrådene. Funnet forenkler modellen for hvordan disse bakteriene eksporterer elektroner, og teamet sier at dette "minimale ledningsmaskineriet" kan være vanlig blant bakteriearter.

Bakterier som lever i jord har to måter å donere elektronene de produserer til eksterne elektronakseptorer. Den første involverer overføring av elektronene til jordmineraler og er kjent som ekstracellulær elektronoverføring (EET). Den andre, direkte interspecies elektronoverføring (DIET), involverer partnerarter. Begge prosessene er avgjørende for mikrobenes evne til å overleve og danne fellesskap, men de kan være ineffektive. Bakterier som Geobacter har derfor utviklet seg til å produsere ledende nanotråder som muliggjør raskere EET med lang rekkevidde.

Fem proteiner

Proteinfamilien Yale-NEW team identifisert som nøkkelen til driften av disse nanotrådene inneholder fem proteiner. Alle av dem befinner seg i rommet mellom bakterienes indre og ytre membran – den bakterielle periplasma – og de er kjent som periplasmatisk cytokrom ABCDE (PpcA-E). Disse proteinene injiserer elektroner i filamenter på bakterieoverflater som fungerer som nanotråder, og skaper en elektrisk forbindelse for "metallpust" Geobacter.

Denne elektriske tilkoblingen tillater Geobacter å overføre overflødige elektroner produsert under metabolisme til mineraler i jord uten behov for mellomledd, forklarer Yale's Nikhil Malvankar, som ledet studien sammen med Carlos Salgueiro at NEW. I hovedsak fungerer proteinene som plugger i et naturlig jordbasert "elektrisk nett". Dette rutenettet kan være ansvarlig for å la mange typer mikrober overleve og støtte liv, sier forskerne.

Mikroskopiske stempler skyver filamenter laget av cytokromer

Selv om bakteriefilamenter først ble observert i 2002, trodde forskerne først at de var bygd opp av såkalte pili-proteiner ("pili" betyr "hår" på latin). Mange bakterier har pili på overflaten, og genetiske data antydet at disse hårlignende filamentene kunne spille en lignende rolle i Geobacter, sier Malvankar. I 2021 løste imidlertid forskere i Malvankars laboratorium atomstrukturen til pili og viste at de i stedet fungerer som stempler som skyver filamenter som består av cytokromer. I tillegg inkluderer atomstrukturene til cytokromer kjent som OmcS og OmcZ en kjede av metallholdige heme-molekyler som bærer elektroner (rødt i bildet ovenfor).

Mens disse atomstrukturene forklarte hvordan nanotråder transporterer elektroner, forble forbindelsen mellom nanotrådene og bakterienes overflate et mysterium, legger han til. Dette er fordi de fleste celleoverflater er elektrisk ikke-ledende.

"Det ble antatt at en annen familie av proteiner innebygd i bakteriemembranen, kalt porincytokromer, var ansvarlig for denne forbindelsen til tross for at bakterier var i stand til å overføre elektrisitet selv i deres fravær," forklarer Malvankar. "Tilstedeværelsen av periplasmatiske proteiner som overfører elektroner til nanotråder eliminerer behovet for mellomliggende elektronbærere og forklarer hvordan celler overfører elektroner med en bemerkelsesverdig rask hastighet (en million elektroner per sekund), selv om elektroner i proteiner kan bevege seg med hastigheter på minst 10 ganger tregere."

Å utarbeide forholdet mellom PpcA-E og OmcS

Forskerne begynte med å måle energien til elektroner i OmcS. De fant ut at det var det samme som i PpcA-E, hvilket teammedlem Catharine Shipps sier var overraskende fordi OmcS-målingen var forventet å avvike med 0.1 V. "På tidspunktet for de første målingene på OmcS (i 2011), visste vi ikke at OmcS dannet nanotråder," sier Shipps, som utførte denne delen av arbeidet . "Disse tidligere målingene ble gjort ved å behandle cytokromene som ikke-filamentøse, noe som kan forklare dette store avviket."

I 2015 antok Salgueiro og kolleger ved NOVA at PpcA-Es kunne overføre elektroner til OmcS. Det var imidlertid ikke mulig å teste denne hypotesen på det tidspunktet på grunn av vanskeligheten med å skaffe rensede OmcS nanotråder. Malvankar sier at Shipps' funn la til bildet ved å antyde at PpcA-E kunne donere elektroner direkte til OmcS - noe som et annet teammedlem, Vishok Srikanth, foreslått etter å ha lagt merke til at OmcS og PpcA-E forblir sammen når de utvinnes fra bakterier. "Alle disse resultatene førte til at vi foreslo at PpcA-E kunne overføre elektroner til nanotråder," sier han. De to gruppene bekreftet deretter hypotesen ved hjelp av kjernemagnetisk resonansspektroskopi.

"Oppdagelsen vår forenkler modellen for hvordan bakterier eksporterer elektroner ved å overvinne langsom elektronstrøm mellom individuelle proteiner," forteller Malvankar Fysikkens verden. "Oppdagelsen av en annen av våre teammedlemmer, Kong Shen, at denne proteinfamilien er evolusjonær og bevart på tvers av mange arter, ikke bare Geobacter, betyr at dette minimale ledningsmaskineriet kan være allestedsnærværende i mange bakterier.»

Forskerne, som rapporterer om sitt arbeid i Nature Communications, konstruerer nå den nyoppdagede mekanismen til bakterier som er viktige for klimaet eller i stand til å lage biodrivstoff. Målet er å hjelpe disse gunstige organismene til å vokse raskere. "Vi jobber også med hvordan en annen nanotråd av cytokrom OmcZ lades og identifiserer rollen til porin-cytokromer i disse prosessene," sier Malvankar.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/