Бактериальные нанопровода создают электрическую сеть в почве

Поскольку глубоко под землей не так много кислорода, бактерии, живущие там, развили другие способы избавления от электронов, которые они производят, когда «дыхают». Один из этих обходных путей предполагает отправку проводящих нитей – нанопроводов – в почву для рассеивания электронов, но важные детали этого процесса ускользнули от понимания биофизиков.

Исследователи Йельский университет, США и Университет NOVA в Лиссабоне в Португалии теперь обнаружили, что для бактерий рода Геобактер, одно семейство белков действует как серия электрически соединяющих «вилок» для зарядки этих микробных нанопроводов. Это открытие значительно упрощает модель того, как эти бактерии экспортируют электроны, и команда говорит, что этот «минимальный механизм проводки» может быть обычным явлением среди видов бактерий.

Бактерии, живущие в почве, имеют два способа отдачи производимых ими электронов внешним акцепторам электронов. Первый включает передачу электронов минералам почвы и известен как внеклеточный перенос электронов (ВЭТ). Второй, прямой межвидовой перенос электронов (DIET), включает виды-партнеры. Оба процесса жизненно важны для способности микробов выживать и формировать сообщества, но они могут быть неэффективными. Бактерии любят Геобактер поэтому эволюционировали для производства проводящих нанопроводов, которые обеспечивают более быструю и дальнюю ЭЭТ.

Пять белков

Семейство белков Йельский университет–NEW Команда определила, что эти нанопроволоки являются ключевыми для работы, и содержат пять белков. Все они находятся в пространстве между внутренней и внешней мембраной бактерий – бактериальной периплазмой – и известны как периплазматический цитохром ABCDE (PpcA-E). Эти белки вводят электроны в нити на бактериальных поверхностях, которые действуют как нанопровода, создавая электрическую связь для «дыхания металла». Геобактер.

Такое электрическое соединение позволяет Геобактер передавать избыточные электроны, образующиеся в ходе метаболизма, минералам в почве без необходимости использования посредников, объясняет Йельский университет. Нихил Малванкар, который руководил исследованием вместе с Карлос Салгейро at NEW. По сути, белки действуют как пробки в естественной почвенной «электрической сети». По словам исследователей, эта решетка может быть ответственна за то, что многие виды микробов могут выживать и поддерживать жизнь.

Микроскопические поршни толкают нити, состоящие из цитохромов.

Хотя бактериальные нити были впервые обнаружены в 2002 году, ученые первоначально думали, что они состоят из так называемых белков пили («пили» на латыни означает «волосы»). Многие бактерии действительно имеют пили на своей поверхности, и генетические данные позволяют предположить, что эти волосообразные нити могут играть аналогичную роль в Геобактер, — говорит Малванкар. Однако в 2021 году исследователи из лаборатории Малванкара раскрыли атомную структуру пилей и показали, что вместо этого они действуют как поршни, толкающие нити, состоящие из цитохромов. Кроме того, атомные структуры цитохромов, известных как OmcS и OmcZ, включают цепочку металлсодержащих молекул гема, несущих электроны (красный цвет на изображении выше).

Хотя эти атомные структуры объясняют, как нанопроволоки переносят электроны, связь между нанопроволоками и поверхностью бактерий остается загадкой, добавляет он. Это связано с тем, что большинство поверхностей клеток не проводят электричество.

«Считалось, что за эту связь отвечает другое семейство белков, встроенных в бактериальную мембрану, называемых цитохромами поринов, несмотря на то, что бактерии способны передавать электричество даже в их отсутствие», — объясняет Малванкар. «Наличие периплазматических белков, переносящих электроны на нанопровода, устраняет необходимость в каких-либо промежуточных переносчиках электронов и объясняет, как клетки передают электроны с удивительно высокой скоростью (миллион электронов в секунду), даже несмотря на то, что электроны в белках могут перемещаться со скоростью, по крайней мере, в 10 раз большей». помедленнее."

Разработка связи между PpcA-E и OmcS

Исследователи начали с измерения энергии электронов в OmcS. Они обнаружили, что это было то же самое, что и в PpcA-E, где член команды Кэтрин Шиппс «Во время первых измерений OmcS (в 0.1 году) мы не знали, что OmcS образует нанопровода», — говорит Шиппс, выполнивший эту часть работы. . «Эти предыдущие измерения были сделаны, рассматривая цитохромы как ненитевидные, что могло бы объяснить такое большое несоответствие».

В 2015 году Салгейро и его коллеги из NOVA выдвинули гипотезу, что PpcA-Es может переносить электроны на OmcS. Однако проверить эту гипотезу в то время было невозможно из-за сложности получения очищенных нанопроволок OmcS. Малванкар говорит, что открытие Шиппса дополнило картину, предположив, что PpcA-E может отдавать электроны непосредственно OmcS – то, что другой член команды, Вишок Шрикант, предложенное после того, как было обнаружено, что OmcS и PpcA-E остаются вместе при экстракции из бактерий. «Все эти результаты привели нас к предположению, что PpcA-E может передавать электроны на нанопровода», — говорит он. Затем обе группы подтвердили свою гипотезу с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса.

«Наше открытие значительно упрощает модель того, как бактерии экспортируют электроны, преодолевая медленный поток электронов между отдельными белками», — говорит Малванкар. Мир физики. «Открытие другого члена нашей команды, Конг Шен, что это семейство белков является эволюционным и сохраняется у многих видов, а не только Геобактер, означает, что этот минимальный механизм проводки может быть повсеместным во многих бактериях».

Исследователи, сообщающие о своей работе в Природа связи, в настоящее время внедряют недавно открытый механизм в бактерии, которые важны для климата или способны производить биотопливо. Цель состоит в том, чтобы помочь этим полезным организмам расти быстрее. «Мы также работаем над тем, как заряжается еще одна нанопроволока цитохрома OmcZ, и определяем роль порин-цитохромов в этих процессах», — говорит Малванкар.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/