Nanodruty bakteryjne tworzą siatkę elektryczną w glebie – Świat Fizyki

Ponieważ głęboko pod ziemią nie ma zbyt wiele tlenu, żyjące tam bakterie wyewoluowały inne sposoby pozbycia się elektronów wytwarzanych podczas „oddychania”. Jedno z tych obejść polega na wysyłaniu przewodzących włókien – nanodrutów – do gleby w celu rozproszenia elektronów, ale ważne szczegóły tego procesu wymykały się biofizykom zrozumienia.

Naukowcy z Uniwersytet Yale, My i Uniwersytet NOVA w Lizbonie w Portugalii odkryli to teraz w przypadku bakterii z rodzaju Geobakterie, pojedyncza rodzina białek działa jak szereg elektrycznie połączonych „wtyczek” służących do ładowania tych nanodrutów drobnoustrojów. Odkrycie znacznie upraszcza model eksportu elektronów przez te bakterie, a zespół twierdzi, że ta „maszyna o minimalnym okablowaniu” może być powszechna wśród gatunków bakterii.

Bakterie żyjące w glebie na dwa sposoby przekazują wytwarzane przez siebie elektrony zewnętrznym akceptorom elektronów. Pierwsza polega na przeniesieniu elektronów do minerałów gleby i jest znana jako zewnątrzkomórkowy transfer elektronów (EET). Drugi, bezpośredni międzygatunkowy transfer elektronów (DIET), obejmuje gatunki partnerskie. Obydwa procesy są niezbędne dla zdolności drobnoustrojów do przetrwania i tworzenia społeczności, ale mogą być nieefektywne. Bakterie jak Geobakterie ewoluowały w kierunku produkcji przewodzących nanodrutów, które umożliwiają szybsze EET na duże odległości.

Pięć białek

Rodzina białek Yale-NOVA zespół zidentyfikowany jako klucz do działania tych nanodrutów zawiera pięć białek. Wszystkie znajdują się w przestrzeni pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną błoną bakterii – peryplazmą bakteryjną – i są znane jako peryplazmatyczny cytochrom ABCDE (PpcA-E). Białka te wstrzykują elektrony do włókien na powierzchni bakterii, które działają jak nanodruty, tworząc połączenie elektryczne umożliwiające „oddychanie metalem” Geobakterie.

To połączenie elektryczne pozwala Geobakterie przenieść nadmiar elektronów powstałych podczas metabolizmu do minerałów w glebie bez potrzeby stosowania pośredników, wyjaśnia Yale Nikhila Malvankara, który współprowadził badanie z Carlosa Salgueiro at NOVA. W istocie białka działają jak wtyczki w naturalnej „sieci elektrycznej” znajdującej się w glebie. Naukowcy twierdzą, że siatka ta może być odpowiedzialna za umożliwienie wielu rodzajom drobnoustrojów przetrwania i podtrzymywania życia.

Mikroskopijne tłoki wypychają włókna wykonane z cytochromów

Chociaż włókna bakteryjne po raz pierwszy zaobserwowano w 2002 r., naukowcy początkowo sądzili, że składają się one z tak zwanych białek pilusów („pili” oznacza po łacinie „włosy”). Wiele bakterii ma pilusy na swojej powierzchni, a dane genetyczne sugerują, że te włoskowate włókna mogą odgrywać podobną rolę Geobacter, mówi Malvankar. Jednak w 2021 roku badacze z laboratorium Malvankara rozwiązali strukturę atomową pilusów i wykazali, że zamiast tego działają one jak tłoki, które popychają włókna zbudowane z cytochromów. Ponadto struktury atomowe cytochromów znane jako OmcS i OmcZ obejmują łańcuch cząsteczek hemu zawierających metal, które przenoszą elektrony (czerwony na powyższym obrazku).

Chociaż te struktury atomowe wyjaśniają, w jaki sposób nanodruty transportują elektrony, połączenie między nanodrutami a powierzchnią bakterii pozostaje tajemnicą – dodaje. Dzieje się tak dlatego, że większość powierzchni ogniw nie przewodzi prądu elektrycznego.

„Uważano, że za to połączenie odpowiedzialna jest inna rodzina białek osadzonych w błonie bakteryjnej, zwana cytochromami porin, mimo że bakterie są w stanie przekazywać prąd nawet pod ich nieobecność” – wyjaśnia Malvankar. „Obecność białek peryplazmatycznych przenoszących elektrony do nanodrutów eliminuje potrzebę stosowania jakichkolwiek pośrednich nośników elektronów i wyjaśnia, w jaki sposób komórki przesyłają elektrony z zadziwiająco dużą szybkością (milion elektronów na sekundę), mimo że elektrony w białkach mogą poruszać się z szybkością co najmniej 10-krotną wolniej.”

Opracowanie zależności pomiędzy PpcA-E i OmcS

Naukowcy rozpoczęli od pomiaru energii elektronów w OmcS. Odkryli, że było tak samo jak w przypadku PpcA-E, który był członkiem zespołu Katarzyna Shipps mówi, że było zaskakujące, ponieważ oczekiwano, że pomiar OmcS będzie się różnić o 0.1 V. „W czasie pierwszych pomiarów na OmcS (w 2011 r.) nie wiedzieliśmy, że OmcS tworzy nanodruty” – mówi Shipps, który wykonał tę część pracy . „Poprzednie pomiary wykonano, traktując cytochromy jako niewłókniste, co może wyjaśniać tę dużą rozbieżność”.

W 2015 roku Salgueiro i współpracownicy z NOVA postawili hipotezę, że PpcA-E mogą przenosić elektrony do OmcS. Jednak przetestowanie tej hipotezy nie było wówczas wykonalne ze względu na trudności w uzyskaniu oczyszczonych nanodrutów OmcS. Malvankar twierdzi, że odkrycie Shippsa uzupełniło obraz, sugerując, że PpcA-E może przekazać elektrony bezpośrednio OmcS – co stwierdził inny członek zespołu, Wiszok Srikanth, zaproponowano po zauważeniu, że OmcS i PpcA-E pozostają razem po ekstrakcji z bakterii. „Wszystkie te wyniki skłoniły nas do zaproponowania, że ​​PpcA-E może przekazywać elektrony do nanodrutów” – mówi. Następnie obie grupy potwierdziły swoją hipotezę za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego.

„Nasze odkrycie znacznie upraszcza model eksportu elektronów przez bakterie, pokonując powolny przepływ elektronów pomiędzy poszczególnymi białkami” – mówi Malvankar Świat Fizyki. „Odkrycie dokonane przez innego członka naszego zespołu, Cong Shen, że ta rodzina białek ma charakter ewolucyjny i jest zachowana u wielu gatunków, nie tylko Geobakterieoznacza, że ​​ta minimalna maszyneria okablowania może być wszechobecna w wielu bakteriach.”

Badacze, którzy zgłaszają swoją pracę w: Nature Communications, obecnie przekształcają nowo odkryty mechanizm w bakterie ważne dla klimatu lub zdolne do wytwarzania biopaliw. Celem jest przyspieszenie wzrostu tych pożytecznych organizmów. „Pracujemy także nad sposobem ładowania innego nanodrutu cytochromu OmcZ i identyfikujemy rolę cytochromów porin w tych procesach” – mówi Malvankar.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/