Da es tief unter der Erde nicht viel Sauerstoff gibt, haben die dort lebenden Bakterien andere Methoden entwickelt, um die Elektronen loszuwerden, die sie beim „Atmen“ produzieren. Eine dieser Problemumgehungen besteht darin, leitfähige Filamente – Nanodrähte – in den Boden zu schicken, um die Elektronen zu verteilen. Wichtige Details dieses Prozesses sind jedoch dem Verständnis der Biophysiker entgangen.

Forscher bei Yale Universität, Wir und NOVA-Universität Lissabon in Portugal haben das nun für Bakterien der Gattung herausgefunden Geobakterienagiert eine einzelne Proteinfamilie wie eine Reihe elektrisch verbindender „Stecker“, um diese mikrobiellen Nanodrähte aufzuladen. Der Befund vereinfacht das Modell, wie diese Bakterien Elektronen exportieren, erheblich, und das Team geht davon aus, dass diese „minimale Verkabelungsmaschinerie“ bei Bakterienarten häufig vorkommt.

Im Boden lebende Bakterien haben zwei Möglichkeiten, die von ihnen produzierten Elektronen an externe Elektronenakzeptoren abzugeben. Die erste Methode beinhaltet die Übertragung der Elektronen auf Bodenmineralien und wird als extrazellulärer Elektronentransfer (EET) bezeichnet. Der zweite, direkte Interspezies-Elektronentransfer (DIET) betrifft Partnerspezies. Beide Prozesse sind für das Überleben und die Bildung von Gemeinschaften der Mikroben von entscheidender Bedeutung, können jedoch ineffizient sein. Bakterien mögen Geobakterien haben sich daher weiterentwickelt, um leitfähige Nanodrähte herzustellen, die eine schnellere EET über große Entfernungen ermöglichen.

Fünf Proteine

Die Proteinfamilie der Yale-NOVA Das Team, das als Schlüssel zum Betrieb dieser Nanodrähte identifiziert wurde, enthält fünf Proteine. Sie alle befinden sich im Raum zwischen der inneren und äußeren Membran der Bakterien – dem bakteriellen Periplasma – und werden als periplasmatisches Cytochrom ABCDE (PpcA-E) bezeichnet. Diese Proteine ​​​​injizieren Elektronen in Filamente auf Bakterienoberflächen, die als Nanodrähte fungieren, und stellen so eine elektrische Verbindung für die „Metallatmung“ her. Geobakterien.

Diese elektrische Verbindung ermöglicht Geobakterien um überschüssige Elektronen, die während des Stoffwechsels entstehen, auf Mineralien im Boden zu übertragen, ohne dass Zwischenhändler erforderlich sind, erklärt Yale's Nikhil Malvankar, der die Studie gemeinsam mit leitete Carlos Salgueiro at NOVA. Im Wesentlichen fungieren die Proteine ​​als Pfropfen innerhalb eines natürlichen, bodenbasierten „Stromnetzes“. Dieses Gitter könnte dafür verantwortlich sein, dass viele Arten von Mikroben überleben und Leben erhalten, sagen die Forscher.

Mikroskopische Kolben drücken Filamente aus Cytochromen

Obwohl Bakterienfilamente erstmals im Jahr 2002 beobachtet wurden, gingen Wissenschaftler zunächst davon aus, dass sie aus sogenannten Pili-Proteinen bestehen („Pili“ bedeutet auf Lateinisch „Haare“). Viele Bakterien haben Pili auf ihrer Oberfläche, und genetische Daten deuten darauf hin, dass diese haarähnlichen Filamente eine ähnliche Rolle spielen könnten Geobacter, sagt Malvankar. Im Jahr 2021 lösten Forscher in Malvankars Labor jedoch die atomare Struktur von Pili und zeigten, dass sie stattdessen als Kolben fungieren, die aus Cytochromen bestehende Filamente antreiben. Darüber hinaus umfassen die atomaren Strukturen der Cytochrome OmcS und OmcZ eine Kette metallhaltiger Hämmoleküle, die Elektronen transportieren (rot im Bild oben).

Während diese Atomstrukturen erklärten, wie Nanodrähte Elektronen transportieren, blieb die Verbindung zwischen den Nanodrähten und der Bakterienoberfläche ein Rätsel, fügt er hinzu. Dies liegt daran, dass die meisten Zelloberflächen elektrisch nicht leitend sind.

„Man ging davon aus, dass eine andere Familie von Proteinen, die in die Bakterienmembran eingebettet sind, die Porin-Cytochrome, für diese Verbindung verantwortlich ist, obwohl Bakterien auch in ihrer Abwesenheit Elektrizität übertragen können“, erklärt Malvankar. „Das Vorhandensein periplasmatischer Proteine, die Elektronen auf Nanodrähte übertragen, macht jegliche Zwischenelektronenträger überflüssig und erklärt, wie Zellen Elektronen mit einer bemerkenswert hohen Geschwindigkeit (einer Million Elektronen pro Sekunde) übertragen, obwohl sich Elektronen in Proteinen mit einer Geschwindigkeit von mindestens dem Zehnfachen bewegen können.“ Langsamer."

Erarbeitung der Beziehung zwischen PpcA-E und OmcS

Die Forscher begannen mit der Messung der Energie der Elektronen in OmcS. Sie fanden heraus, dass es dasselbe war wie in PpcA-E, welches Teammitglied Catherine Shipps sagt, war überraschend, weil erwartet wurde, dass sich die OmcS-Messung um 0.1 V unterscheidet. „Zum Zeitpunkt der ersten Messungen an OmcS (im Jahr 2011) wussten wir nicht, dass OmcS Nanodrähte bildet“, sagt Shipps, der diesen Teil der Arbeit durchgeführt hat . „Diese früheren Messungen wurden durchgeführt, indem die Cytochrome als nicht filamentös behandelt wurden, was diese große Diskrepanz erklären könnte.“

Im Jahr 2015 stellten Salgueiro und Kollegen von NOVA die Hypothese auf, dass PpcA-Es Elektronen auf OmcS übertragen könnten. Allerdings war es damals nicht möglich, diese Hypothese zu testen, da es schwierig war, gereinigte OmcS-Nanodrähte zu erhalten. Malvankar sagt, dass die Entdeckung von Shipps das Bild vervollständigte, indem sie darauf hinwies, dass PpcA-E Elektronen direkt an OmcS spenden könnte – etwas, das ein anderes Teammitglied, Vishok Srikanth, vorgeschlagen, nachdem festgestellt wurde, dass OmcS und PpcA-E zusammen bleiben, wenn sie aus Bakterien extrahiert werden. „All diese Ergebnisse veranlassten uns zu der Annahme, dass PpcA-E Elektronen an Nanodrähte weiterleiten könnte“, sagt er. Anschließend bestätigten die beiden Gruppen ihre Hypothese mittels Kernspinresonanzspektroskopie.

„Unsere Entdeckung vereinfacht das Modell, wie Bakterien Elektronen exportieren, erheblich, indem sie den langsamen Elektronenfluss zwischen einzelnen Proteinen überwindet“, erzählt Malvankar Physik-Welt. „Die Entdeckung durch ein anderes unserer Teammitglieder, Cong Shen, dass diese Proteinfamilie nicht nur bei vielen Arten evolutionär und konserviert ist GeobakterienDas bedeutet, dass diese minimale Verdrahtungsmaschinerie in vielen Bakterien allgegenwärtig sein könnte.“

Die Forscherinnen und Forscher, die über ihre Arbeit berichten Nature Communications veröffentlicht , entwickeln nun den neu entdeckten Mechanismus in Bakterien um, die für das Klima wichtig sind oder Biokraftstoffe herstellen können. Ziel ist es, diesen nützlichen Organismen zu einem schnelleren Wachstum zu verhelfen. „Wir arbeiten auch daran, wie ein weiterer Nanodraht des Cytochroms OmcZ geladen wird, und identifizieren die Rolle von Porin-Cytochromen bei diesen Prozessen“, sagt Malvankar.

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