ونظرًا لعدم وجود الكثير من الأكسجين في أعماق الأرض، فقد طورت البكتيريا التي تعيش هناك طرقًا أخرى للتخلص من الإلكترونات التي تنتجها عندما "تتنفس". تتضمن إحدى هذه الحلول إرسال خيوط موصلة - أسلاك نانوية - إلى التربة لتفريق الإلكترونات، لكن التفاصيل المهمة لهذه العملية استعصت على فهم علماء الفيزياء الحيوية.

الباحثون في جامعة ييل، نحن و جامعة نوفا لشبونة في البرتغال وجدت الآن أن للبكتيريا في جنس جيوباكتر، تعمل عائلة بروتينية واحدة كسلسلة من "المقابس" المتصلة كهربائيًا لشحن هذه الأسلاك النانوية الميكروبية. يبسط هذا الاكتشاف إلى حد كبير نموذج كيفية تصدير هذه البكتيريا للإلكترونات، ويقول الفريق إن "آلات التوصيل البسيطة" هذه قد تكون شائعة بين الأنواع البكتيرية.

لدى البكتيريا التي تعيش في التربة طريقتان للتبرع بالإلكترونات التي تنتجها لمستقبلات الإلكترون الخارجية. الأول يتضمن نقل الإلكترونات إلى معادن التربة ويعرف باسم نقل الإلكترون خارج الخلية (EET). أما النوع الثاني، وهو نقل الإلكترون المباشر بين الأنواع (DIET)، فيشمل الأنواع الشريكة. كلتا العمليتين حيويتان لقدرة الميكروبات على البقاء وتكوين مجتمعات، لكنهما قد تكونان غير فعالتين. البكتيريا مثل جيوباكتر لذلك تطورت لإنتاج أسلاك نانوية موصلة تسهل عملية EET بشكل أسرع وطويل المدى.

خمسة بروتينات

عائلة البروتين ييل-NEW يحتوي الفريق الذي تم تحديده كمفتاح لتشغيل هذه الأسلاك النانوية على خمسة بروتينات. جميعها تتواجد في الفراغ بين الغشاء الداخلي والخارجي للبكتيريا - المحيط البكتيري - وتعرف باسم السيتوكروم المحيط بالبلازمية ABCDE (PpcA-E). تقوم هذه البروتينات بحقن الإلكترونات في خيوط على الأسطح البكتيرية تعمل كأسلاك نانوية، مما يؤدي إلى إنشاء اتصال كهربائي من أجل "التنفس المعدني". جيوباكتر.

يسمح هذا الاتصال الكهربائي جيوباكتر لنقل الإلكترونات الزائدة المنتجة أثناء عملية التمثيل الغذائي إلى المعادن الموجودة في التربة دون الحاجة إلى وسطاء، كما يوضح ييل نيخيل مالفانكار، الذي شارك في قيادة الدراسة مع كارلوس سالجويرو at NEW. في جوهرها، تعمل البروتينات كمقابس داخل "شبكة كهربائية" طبيعية قائمة على التربة. ويقول الباحثون إن هذه الشبكة قد تكون مسؤولة عن السماح لأنواع عديدة من الميكروبات بالبقاء على قيد الحياة ودعم الحياة.

تقوم المكابس المجهرية بدفع الخيوط المصنوعة من السيتوكروم

على الرغم من ملاحظة الخيوط البكتيرية لأول مرة في عام 2002، اعتقد العلماء في البداية أنها مكونة مما يسمى بروتينات بيلي (تعني كلمة "بيلي" "الشعر" في اللاتينية). تحتوي العديد من البكتيريا على أشعار على سطحها، وتشير البيانات الجينية إلى أن هذه الخيوط الشبيهة بالشعر يمكن أن تلعب دورًا مماثلاً جيوباكتص، يقول مالفانكار. ومع ذلك، في عام 2021، حل الباحثون في مختبر مالفانكار التركيب الذري للأشعار وأظهروا أنها تعمل بدلاً من ذلك كمكابس تدفع الخيوط المكونة من السيتوكروم. بالإضافة إلى ذلك، تشتمل التركيبات الذرية للسيتوكرومات المعروفة باسم OmcS وOmcZ على سلسلة من جزيئات الهيم المحتوية على معدن والتي تحمل الإلكترونات (باللون الأحمر في الصورة أعلاه).

ويضيف أنه في حين أن هذه الهياكل الذرية تشرح كيفية قيام الأسلاك النانوية بنقل الإلكترونات، فإن العلاقة بين الأسلاك النانوية وسطح البكتيريا ظلت لغزا. وذلك لأن معظم أسطح الخلايا غير موصلة للكهرباء.

يوضح مالفانكار: "كان يُعتقد أن عائلة أخرى من البروتينات المدمجة في الغشاء البكتيري، تسمى سيتوكرومات البورين، كانت مسؤولة عن هذا الاتصال على الرغم من قدرة البكتيريا على نقل الكهرباء حتى في غيابها". "إن وجود البروتينات المحيطة بالبلازمية التي تنقل الإلكترونات إلى الأسلاك النانوية يلغي الحاجة إلى أي حاملات إلكترونية وسيطة ويشرح كيف تنقل الخلايا الإلكترونات بمعدل سريع بشكل ملحوظ (مليون إلكترون في الثانية)، على الرغم من أن الإلكترونات في البروتينات يمكن أن تتحرك بمعدلات لا تقل عن 10 مرات. أبطأ."

حل العلاقة بين PpcA-E وOmcS

بدأ الباحثون بقياس طاقة الإلكترونات في OmcS. ووجدوا أنه هو نفسه كما في PpcA-E، أي عضو في الفريق كاثرين شيبس كان هذا مفاجئًا لأنه كان من المتوقع أن يختلف قياس OmcS بمقدار 0.1 فولت. يقول شيبس، الذي أجرى هذا الجزء من العمل: "في وقت القياسات الأولى على OmcS (في عام 2011)، لم نكن نعلم أن OmcS يشكل أسلاكًا نانوية". . "تم إجراء هذه القياسات السابقة من خلال التعامل مع السيتوكرومات على أنها غير خيطية، وهو الأمر الذي يمكن أن يفسر هذا التناقض الكبير."

في عام 2015، افترض سالجويرو وزملاؤه في NOVA أن PpcA-Es يمكنه نقل الإلكترونات إلى OmcS. ومع ذلك، لم يكن اختبار هذه الفرضية ممكنًا في ذلك الوقت بسبب صعوبة الحصول على أسلاك OmcS النانوية المنقاة. يقول مالفانكار إن النتائج التي توصل إليها شيبس أضافت إلى الصورة من خلال اقتراح أن PpcA-E يمكنه التبرع بالإلكترونات مباشرة إلى OmcS - وهو أمر قاله عضو آخر في الفريق، فيشوك سريكانث، تم اقتراحه بعد ملاحظة أن OmcS وPpcA-E يظلان معًا عند استخلاصهما من البكتيريا. ويقول: "لقد دفعتنا كل هذه النتائج إلى اقتراح أن PpcA-E يمكنه تمرير الإلكترونات إلى الأسلاك النانوية". ثم أكدت المجموعتان فرضيتهما باستخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي.

يقول مالفانكار: "إن اكتشافنا يبسط إلى حد كبير نموذج كيفية تصدير البكتيريا للإلكترونات من خلال التغلب على تدفق الإلكترونات البطيء بين البروتينات الفردية". عالم الفيزياء. "اكتشاف أحد أعضاء فريقنا الآخر، كونغ شينأن عائلة البروتين هذه تطورية ومحفوظة عبر العديد من الأنواع، وليس فقط جيوباكتريعني أن هذا الحد الأدنى من آلات الأسلاك يمكن أن يكون موجودًا في كل مكان في العديد من البكتيريا.

الباحثون الذين أبلغوا عن عملهم في طبيعة الاتصالاتويقومون الآن بهندسة الآلية المكتشفة حديثًا لتحويلها إلى بكتيريا مهمة للمناخ أو قادرة على صنع الوقود الحيوي. الهدف هو مساعدة هذه الكائنات المفيدة على النمو بشكل أسرع. يقول مالفانكار: "نحن نعمل أيضًا على كيفية شحن سلك نانوي آخر من السيتوكروم OmcZ وتحديد دور سيتوكروم البورين في هذه العمليات".

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/