Nanofios bacterianos formam uma rede elétrica no solo – Physics World

Como não há muito oxigênio no subsolo, as bactérias que vivem lá desenvolveram outras maneiras de se livrar dos elétrons que produzem quando “respiram”. Uma dessas soluções envolve o envio de filamentos condutores – nanofios – para o solo para dispersar os elétrons, mas detalhes importantes desse processo escaparam à compreensão dos biofísicos.

Pesquisadores em Universidade de Yale, Nós e Universidade NOVA de Lisboa em Portugal descobriram agora que para bactérias do género Geobacter, uma única família de proteínas atua como uma série de “plugues” conectados eletricamente para carregar esses nanofios microbianos. A descoberta simplifica muito o modelo de como estas bactérias exportam eletrões, e a equipa afirma que esta “máquina de ligação mínima” pode ser comum entre espécies bacterianas.

As bactérias que vivem no solo têm duas maneiras de doar os elétrons que produzem para aceitadores externos de elétrons. A primeira envolve a transferência de elétrons para os minerais do solo e é conhecida como transferência extracelular de elétrons (EET). A segunda, a transferência direta de elétrons entre espécies (DIETA), envolve espécies parceiras. Ambos os processos são vitais para a capacidade dos micróbios sobreviverem e formarem comunidades, mas podem ser ineficientes. Bactérias como Geobacter portanto, evoluíram para produzir nanofios condutores que facilitam EET mais rápido e de longo alcance.

Cinco proteínas

A família das proteínas Yale-NOVA A equipe identificada como chave para o funcionamento desses nanofios contém cinco proteínas. Todos eles residem no espaço entre a membrana interna e externa da bactéria – o periplasma bacteriano – e são conhecidos como citocromo periplasmático ABCDE (PpcA-E). Essas proteínas injetam elétrons em filamentos em superfícies bacterianas que atuam como nanofios, criando uma conexão elétrica para “respiração de metal”. Geobacter.

Esta conexão elétrica permite Geobacter transferir o excesso de elétrons produzidos durante o metabolismo para os minerais do solo sem a necessidade de intermediários, explica o estudo de Yale Nikhil Malvankar, que co-liderou o estudo com Carlos Salgueiro at NOVA. Em essência, as proteínas atuam como plugues dentro de uma “rede elétrica” natural baseada no solo. Esta rede pode ser responsável por permitir que muitos tipos de micróbios sobrevivam e sustentem a vida, dizem os investigadores.

Pistões microscópicos empurram filamentos feitos de citocromos

Embora os filamentos bacterianos tenham sido observados pela primeira vez em 2002, os cientistas inicialmente pensaram que eram constituídos pelas chamadas proteínas pili (“pili” significa “cabelos” em latim). Muitas bactérias têm pili na sua superfície, e dados genéticos sugerem que estes filamentos semelhantes a pêlos podem desempenhar um papel semelhante na Geobacter, diz Malvankar. Em 2021, porém, pesquisadores do laboratório de Malvankar resolveram a estrutura atômica dos pili e mostraram que eles agem como pistões que empurram filamentos compostos de citocromos. Além disso, as estruturas atômicas dos citocromos conhecidas como OmcS e OmcZ incluem uma cadeia de moléculas heme contendo metal que transportam elétrons (vermelho na imagem acima).

Embora essas estruturas atômicas explicassem como os nanofios transportam elétrons, a conexão entre os nanofios e a superfície da bactéria permaneceu um mistério, acrescenta. Isso ocorre porque a maioria das superfícies celulares não são eletricamente condutoras.

“Pensava-se que outra família de proteínas incorporadas na membrana bacteriana, chamadas citocromos de porina, era responsável por esta ligação, apesar das bactérias serem capazes de transmitir eletricidade mesmo na sua ausência”, explica Malvankar. “A presença de proteínas periplasmáticas transferindo elétrons para nanofios elimina a necessidade de quaisquer transportadores de elétrons intermediários e explica como as células transmitem elétrons a uma taxa notavelmente rápida (um milhão de elétrons por segundo), mesmo que os elétrons nas proteínas possam se mover a taxas pelo menos 10 vezes maiores. Mais devagar."

Trabalhando a relação entre PpcA-E e OmcS

Os pesquisadores começaram medindo a energia dos elétrons no OmcS. Eles descobriram que era igual ao PpcA-E, cujo membro da equipe Catharine Shipps diz foi surpreendente porque esperava-se que a medição do OmcS diferisse em 0.1 V. “No momento das primeiras medições no OmcS (em 2011), não sabíamos que o OmcS formava nanofios”, diz Shipps, que realizou esta parte do trabalho . “Essas medições anteriores foram feitas tratando os citocromos como não filamentosos, o que poderia explicar essa grande discrepância.”

Em 2015, Salgueiro e colegas da NOVA levantaram a hipótese de que PpcA-Es poderiam transferir elétrons para OmcS. Porém, testar essa hipótese não era viável na época devido à dificuldade de obtenção de nanofios de OmcS purificados. Malvankar diz que a descoberta de Shipps contribuiu para o quadro, sugerindo que PpcA-E poderia doar elétrons diretamente para OmcS – algo que outro membro da equipe, Vishok Srikanth, proposto após perceber que OmcS e PpcA-E permanecem juntos quando extraídos de bactérias. “Todos esses resultados nos levaram a propor que o PpcA-E poderia passar elétrons para nanofios”, diz ele. Os dois grupos então confirmaram sua hipótese usando espectroscopia de ressonância magnética nuclear.

“Nossa descoberta simplifica muito o modelo de como as bactérias exportam elétrons, superando o fluxo lento de elétrons entre proteínas individuais”, disse Malvankar. Mundo da física. “A descoberta por outro membro da nossa equipe, Cong Shen, que esta família de proteínas é evolutiva e conservada em muitas espécies, não apenas Geobacter, significa que esta maquinaria de fiação mínima pode ser onipresente em muitas bactérias.”

Os pesquisadores, que relatam seu trabalho em Natureza das Comunicações, estão agora projetando o mecanismo recém-descoberto em bactérias que são importantes para o clima ou capazes de produzir biocombustíveis. O objetivo é ajudar esses organismos benéficos a crescerem mais rapidamente. “Também estamos trabalhando em como outro nanofio de citocromo OmcZ é carregado e identificando o papel dos citocromos porina nesses processos”, diz Malvankar.

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