Nanofirele bacteriene formează o rețea electrică în sol – Physics World

Deoarece nu există mult oxigen în adâncul pământului, bacteriile care trăiesc acolo au dezvoltat alte moduri de a scăpa de electronii pe care îi produc atunci când „respiră”. Una dintre aceste soluții implică trimiterea de filamente conductoare - nanofire - în sol pentru a dispersa electronii, dar detalii importante ale acestui proces au scăpat de înțelegerea biofizicienilor.

Cercetători la universitatea Yale, SUA și Universitatea NOVA din Lisabona în Portugalia au descoperit acum că pentru bacteriile din gen Geobacter, o singură familie de proteine ​​acționează ca o serie de „prize” conectate electric pentru încărcarea acestor nanofire microbiene. Descoperirea simplifică foarte mult modelul modului în care aceste bacterii exportă electroni, iar echipa spune că această „mașinărie de cablare minimă” poate fi comună în rândul speciilor de bacterii.

Bacteriile care trăiesc în sol au două moduri de a dona electronii pe care îi produc acceptorilor externi de electroni. Primul implică transferul electronilor către mineralele din sol și este cunoscut sub numele de transfer extracelular de electroni (EET). Al doilea, transferul direct de electroni între specii (DIET), implică specii partenere. Ambele procese sunt vitale pentru capacitatea microbilor de a supraviețui și de a forma comunități, dar pot fi ineficiente. Bacteriile ca Geobacter prin urmare, au evoluat pentru a produce nanofire conductoare care facilitează EET mai rapid, cu rază lungă de acțiune.

Cinci proteine

Familia de proteine ​​the Yale-NOU echipa identificată ca cheie pentru funcționarea acestor nanofire conține cinci proteine. Toate se află în spațiul dintre membrana interioară și exterioară a bacteriilor – periplasma bacteriană – și sunt cunoscute sub numele de citocrom periplasmic ABCDE (PpcA-E). Aceste proteine ​​injectează electroni în filamente de pe suprafețele bacteriene care acționează ca nanofire, creând o conexiune electrică pentru „respirația metalului” Geobacter.

Această conexiune electrică permite Geobacter pentru a transfera electronii în exces produși în timpul metabolismului către mineralele din sol fără a fi nevoie de intermediari, explică Yale. Nikhil Malvankar, care a co-condus studiul cu Carlos Salgueiro at NOU. În esență, proteinele acționează ca dopuri într-o „rețea electrică” naturală bazată pe sol. Această rețea poate fi responsabilă pentru a permite multor tipuri de microbi să supraviețuiască și să susțină viața, spun cercetătorii.

Pistoanele microscopice împing filamente formate din citocromi

Deși filamentele bacteriene au fost observate pentru prima dată în 2002, oamenii de știință au crezut inițial că sunt alcătuite din așa-numitele proteine ​​pili („pili” înseamnă „păr” în latină). Multe bacterii au pili pe suprafața lor, iar datele genetice sugerează că aceste filamente asemănătoare părului ar putea juca un rol similar în Geobacter, spune Malvankar. În 2021, însă, cercetătorii din laboratorul lui Malvankar au rezolvat structura atomică a piliului și au arătat că aceștia acționează în schimb ca pistoane care împing filamentele formate din citocromi. În plus, structurile atomice ale citocromilor cunoscute sub numele de OmcS și OmcZ includ un lanț de molecule heme care conțin metale care poartă electroni (roșu în imaginea de mai sus).

În timp ce aceste structuri atomice au explicat modul în care nanofirele transportă electroni, legătura dintre nanofire și suprafața bacteriilor a rămas un mister, adaugă el. Acest lucru se datorează faptului că majoritatea suprafețelor celulelor sunt neconductoare din punct de vedere electric.

„S-a crezut că o altă familie de proteine ​​încorporate în membrana bacteriană, numite citocromi porini, este responsabilă pentru această conexiune, în ciuda faptului că bacteriile pot transmite electricitate chiar și în absența lor”, explică Malvankar. „Prezența proteinelor periplasmatice care transferă electroni în nanofire elimină necesitatea oricăror purtători intermediari de electroni și explică modul în care celulele transmit electroni la o rată remarcabil de rapidă (un milion de electroni pe secundă), chiar dacă electronii din proteine ​​se pot mișca la viteze de cel puțin 10 ori. Mai lent."

Elaborarea relației dintre PpcA-E și OmcS

Cercetătorii au început prin măsurarea energiei electronilor din OmcS. Au descoperit că era la fel ca în PpcA-E, care membru al echipei Catharine Shipps spune că a fost surprinzător deoarece măsurarea OmcS era de așteptat să difere cu 0.1 V. „La momentul primelor măsurători pe OmcS (în 2011), nu știam că OmcS a format nanofire”, spune Shipps, care a efectuat această parte a lucrării. . „Aceste măsurători anterioare au fost făcute prin tratarea citocromilor ca nefilamentoși, ceea ce ar putea explica această discrepanță mare.”

În 2015, Salgueiro și colegii de la NOVA au emis ipoteza că PpcA-E ar putea transfera electroni în OmcS. Cu toate acestea, testarea acestei ipoteze nu a fost fezabilă la momentul respectiv din cauza dificultății de a obține nanofire OmcS purificate. Malvankar spune că descoperirea lui Shipps s-a adăugat imaginii sugerând că PpcA-E ar putea dona electroni direct către OmcS - ceva ce un alt membru al echipei, Vishok Srikanth, propus după ce a observat că OmcS și PpcA-E rămân împreună atunci când sunt extrase din bacterii. „Toate aceste rezultate ne-au determinat să propunem că PpcA-E ar putea transmite electroni la nanofire”, spune el. Cele două grupuri și-au confirmat apoi ipoteza folosind spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară.

„Descoperirea noastră simplifică foarte mult modelul modului în care bacteriile exportă electroni prin depășirea fluxului lent de electroni între proteinele individuale”, spune Malvankar. Lumea fizicii. „Descoperirea unui alt membru al echipei noastre, Cong Shen, că această familie de proteine ​​este evolutivă și conservată în multe specii, nu doar Geobacter, înseamnă că această mașinărie minimă de cablare ar putea fi omniprezentă în multe bacterii.”

Cercetătorii, care își raportează munca în Natura Comunicaţii, acum proiectează mecanismul nou descoperit în bacterii care sunt importante pentru climă sau capabile să producă biocombustibili. Scopul este de a ajuta aceste organisme benefice să crească mai repede. „De asemenea, lucrăm la modul în care este încărcat un alt nanofir al citocromului OmcZ și la identificarea rolului porin-citocromilor în aceste procese”, spune Malvankar.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/