Bakterijske nanožice tvorijo električno mrežo v tleh – Svet fizike

Ker globoko pod zemljo ni veliko kisika, so bakterije, ki tam živijo, razvile druge načine, da se znebijo elektronov, ki jih proizvajajo, ko »dihajo«. Ena od teh rešitev vključuje pošiljanje prevodnih filamentov – nanožic – v zemljo, da se razpršijo elektroni, vendar se biofizikom izmikajo pomembni podrobnosti tega procesa.

Raziskovalci v Ljubljani Univerza Yale, ZDA in Univerza NOVA Lizbona na Portugalskem so zdaj ugotovili, da za bakterije v rodu Geobacter, ena sama beljakovinska družina deluje kot niz električno povezovalnih "čepkov" za polnjenje teh mikrobnih nanožic. Ugotovitev močno poenostavlja model, kako te bakterije izvažajo elektrone, in ekipa pravi, da je ta "minimalni stroj za ožičenje" lahko pogost med bakterijskimi vrstami.

Bakterije, ki živijo v tleh, lahko na dva načina darujejo elektrone, ki jih proizvedejo, zunanjim sprejemnikom elektronov. Prvi vključuje prenos elektronov na minerale v tleh in je znan kot zunajcelični prenos elektronov (EET). Drugi, neposredni medvrstni prenos elektronov (DIET), vključuje partnerske vrste. Oba procesa sta ključnega pomena za sposobnost mikrobov, da preživijo in tvorijo skupnosti, vendar sta lahko neučinkovita. Bakterije kot Geobacter so se zato razvili za proizvodnjo prevodnih nanožic, ki omogočajo hitrejši EET velikega dosega.

Pet beljakovin

Družina beljakovin Yale-NOVO ekipa, ki je bila opredeljena kot ključna za delovanje teh nanožic, vsebuje pet proteinov. Vsi se nahajajo v prostoru med notranjo in zunanjo membrano bakterije – bakterijski periplazmi – in so znani kot periplazmatski citokrom ABCDE (PpcA-E). Ti proteini vbrizgajo elektrone v filamente na bakterijskih površinah, ki delujejo kot nanožice in ustvarjajo električno povezavo za "dihanje kovin". Geobacter.

Ta električna povezava omogoča Geobacter za prenos odvečnih elektronov, ki nastanejo med presnovo, na minerale v tleh brez posrednikov, pojasnjuje Yale Nikhil Malvankar, ki je skupaj vodil študijo Carlos Salgueiro at NOVO. V bistvu proteini delujejo kot čepi znotraj naravnega "električnega omrežja", ki temelji na tleh. Ta mreža je morda odgovorna za to, da številnim vrstam mikrobov omogoča preživetje in podpira življenje, pravijo raziskovalci.

Mikroskopski bati potiskajo filamente iz citokromov

Čeprav so bakterijske filamente prvič opazili leta 2002, so znanstveniki sprva mislili, da so sestavljeni iz tako imenovanih pili proteinov ("pili" v latinščini pomeni "lasje"). Številne bakterije imajo pile na svoji površini in genetski podatki kažejo, da bi ti dlakasti filamenti lahko imeli podobno vlogo pri Geobacter, pravi Malvankar. Leta 2021 pa so raziskovalci v Malvankarjevem laboratoriju rešili atomsko strukturo pilijev in pokazali, da namesto tega delujejo kot bati, ki potiskajo filamente, sestavljene iz citokromov. Poleg tega atomske strukture citokromov, znanih kot OmcS in OmcZ, vključujejo verigo molekul hema, ki vsebujejo kovine in prenašajo elektrone (rdeče na zgornji sliki).

Medtem ko so te atomske strukture pojasnile, kako nanožice prenašajo elektrone, je povezava med nanožicami in površino bakterij ostala skrivnost, dodaja. To je zato, ker je večina celičnih površin električno neprevodnih.

"Mislili so, da je za to povezavo odgovorna druga družina proteinov, vgrajenih v bakterijsko membrano, imenovanih porin citokromi, kljub temu, da so bakterije sposobne prenašati elektriko tudi v njihovi odsotnosti," pojasnjuje Malvankar. »Prisotnost periplazmatskih proteinov, ki prenašajo elektrone na nanožice, odpravlja potrebo po kakršnih koli vmesnih nosilcih elektronov in pojasnjuje, kako celice prenašajo elektrone z izjemno hitro hitrostjo (milijon elektronov na sekundo), čeprav se lahko elektroni v beljakovinah premikajo s hitrostjo vsaj 10-krat večjo. počasneje."

Ugotavljanje razmerja med PpcA-E in OmcS

Raziskovalci so začeli z merjenjem energije elektronov v OmcS. Ugotovili so, da je enako kot v PpcA-E, kateri član ekipe Catharine Shipps je bilo presenetljivo, ker naj bi se meritev OmcS razlikovala za 0.1 V. »V času prvih meritev na OmcS (leta 2011) nismo vedeli, da OmcS tvori nanožice,« pravi Shipps, ki je opravil ta del dela. . "Te prejšnje meritve so bile opravljene tako, da so citokrome obravnavali kot nefilamentne, kar bi lahko pojasnilo to veliko neskladje."

Leta 2015 so Salgueiro in sodelavci pri NOVA domnevali, da bi PpcA-E lahko prenašali elektrone v OmcS. Vendar testiranje te hipoteze takrat ni bilo izvedljivo zaradi težav pri pridobivanju prečiščenih nanožic OmcS. Malvankar pravi, da je Shippsova ugotovitev dodala sliko, saj nakazuje, da bi PpcA-E lahko daroval elektrone neposredno OmcS – nekaj, kar je drug član ekipe, Vishok Srikanth, predlagal po tem, ko je opazil, da OmcS in PpcA-E ostaneta skupaj, ko sta ekstrahirana iz bakterij. »Vsi ti rezultati so nas pripeljali do predloga, da bi PpcA-E lahko prevajal elektrone v nanožice,« pravi. Obe skupini sta nato svojo hipotezo potrdili z jedrsko magnetnoresonančno spektroskopijo.

"Naše odkritje močno poenostavlja model, kako bakterije izvažajo elektrone s premagovanjem počasnega pretoka elektronov med posameznimi proteini," pravi Malvankar Svet fizike. "Odkritje drugega člana naše ekipe, Cong Shen, da je ta družina beljakovin evolucijska in ohranjena pri mnogih vrstah, ne samo Geobacter, pomeni, da je lahko ta minimalni stroj za ožičenje vseprisoten v številnih bakterijah.

Raziskovalci, ki poročajo o svojem delu v Nature Communications, zdaj na novo odkriti mehanizem razvijajo bakterije, ki so pomembne za podnebje ali lahko proizvajajo biogoriva. Cilj je pomagati tem koristnim organizmom pri hitrejši rasti. "Delamo tudi na tem, kako se napolni še ena nanožica citokroma OmcZ in identificiramo vlogo porin-citokromov v teh procesih," pravi Malvankar.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/