Επειδή δεν υπάρχει πολύ οξυγόνο βαθιά κάτω από τη γη, τα βακτήρια που ζουν εκεί έχουν εξελίξει άλλους τρόπους για να απαλλαγούν από τα ηλεκτρόνια που παράγουν όταν «αναπνέουν». Ένας από αυτούς τους τρόπους αντιμετώπισης περιλαμβάνει την αποστολή αγώγιμων νημάτων - νανοσύρματα - στο έδαφος για να διασκορπίσουν τα ηλεκτρόνια, αλλά σημαντικές λεπτομέρειες αυτής της διαδικασίας έχουν διαφύγει από την κατανόηση των βιοφυσικών.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Yale, ΗΠΑ και Πανεπιστήμιο NOVA της Λισαβόνας στην Πορτογαλία έχουν πλέον βρει ότι για τα βακτήρια του γένους Geobacter, μια ενιαία οικογένεια πρωτεϊνών λειτουργεί σαν μια σειρά από ηλεκτρικά συνδετικά «βύσματα» για τη φόρτιση αυτών των μικροβιακών νανοκαλωδίων. Το εύρημα απλοποιεί σημαντικά το μοντέλο του τρόπου με τον οποίο αυτά τα βακτήρια εξάγουν ηλεκτρόνια και η ομάδα λέει ότι αυτός ο «ελάχιστος μηχανισμός καλωδίωσης» μπορεί να είναι κοινός μεταξύ των βακτηριακών ειδών.
Τα βακτήρια που ζουν στο έδαφος έχουν δύο τρόπους να δωρίσουν τα ηλεκτρόνια που παράγουν σε εξωτερικούς δέκτες ηλεκτρονίων. Η πρώτη περιλαμβάνει τη μεταφορά των ηλεκτρονίων στα ορυκτά του εδάφους και είναι γνωστή ως εξωκυτταρική μεταφορά ηλεκτρονίων (EET). Η δεύτερη, η άμεση μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ των ειδών (DIET), περιλαμβάνει είδη εταίρων. Και οι δύο διαδικασίες είναι ζωτικής σημασίας για την ικανότητα των μικροβίων να επιβιώνουν και να σχηματίζουν κοινότητες, αλλά μπορεί να είναι αναποτελεσματικές. Σαν βακτήρια Geobacter Ως εκ τούτου, έχουν εξελιχθεί για να παράγουν αγώγιμα νανοσύρματα που διευκολύνουν την ταχύτερη, μεγάλης εμβέλειας EET.
Πέντε πρωτεΐνες
Η οικογένεια των πρωτεϊνών η Yale-ΝΕΑ Η ομάδα που αναγνωρίστηκε ως το κλειδί για τη λειτουργία αυτών των νανοσυρμάτων περιέχει πέντε πρωτεΐνες. Όλα αυτά βρίσκονται στον χώρο μεταξύ της εσωτερικής και της εξωτερικής μεμβράνης του βακτηρίου - το βακτηριακό περίπλασμα - και είναι γνωστά ως περιπλασμικό κυτόχρωμα ABCDE (PpcA-E). Αυτές οι πρωτεΐνες εγχέουν ηλεκτρόνια σε νήματα σε βακτηριακές επιφάνειες που λειτουργούν ως νανοσύρματα, δημιουργώντας μια ηλεκτρική σύνδεση για «αναπνοή μετάλλων». Geobacter.
Αυτή η ηλεκτρική σύνδεση επιτρέπει Geobacter να μεταφέρει τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια που παράγονται κατά τον μεταβολισμό σε ορυκτά στο έδαφος χωρίς την ανάγκη ενδιάμεσων, εξηγεί ο Yale's Νικίλ Μαλβανκάρ, ο οποίος συνοδήγησε τη μελέτη με Κάρλος Σαλγκέιρο at ΝΕΑ. Στην ουσία, οι πρωτεΐνες λειτουργούν ως βύσματα σε ένα φυσικό «ηλεκτρικό δίκτυο» που βασίζεται στο έδαφος. Αυτό το πλέγμα μπορεί να είναι υπεύθυνο για να επιτρέπει σε πολλούς τύπους μικροβίων να επιβιώσουν και να υποστηρίξουν τη ζωή, λένε οι ερευνητές.
Τα μικροσκοπικά έμβολα σπρώχνουν νήματα κατασκευασμένα από κυτοχρώματα
Αν και τα βακτηριακά νημάτια παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά το 2002, οι επιστήμονες αρχικά θεώρησαν ότι αποτελούνταν από τις λεγόμενες πρωτεΐνες pili («pili» σημαίνει «τρίχες» στα λατινικά). Πολλά βακτήρια έχουν πυλώνες στην επιφάνειά τους και γενετικά δεδομένα υποδηλώνουν ότι αυτά τα νημάτια που μοιάζουν με τρίχες θα μπορούσαν να παίξουν παρόμοιο ρόλο στην Geobacter, λέει ο Malvankar. Το 2021, ωστόσο, ερευνητές στο εργαστήριο του Malvankar έλυσαν την ατομική δομή του pili και έδειξαν ότι αντίθετα λειτουργούν ως έμβολα που ωθούν νημάτια που αποτελούνται από κυτοχρώματα. Επιπλέον, οι ατομικές δομές των κυτοχρωμάτων γνωστές ως OmcS και OmcZ περιλαμβάνουν μια αλυσίδα μορίων αίμης που περιέχουν μέταλλο που μεταφέρουν ηλεκτρόνια (κόκκινο στην παραπάνω εικόνα).
Ενώ αυτές οι ατομικές δομές εξήγησαν πώς τα νανοσύρματα μεταφέρουν ηλεκτρόνια, η σύνδεση μεταξύ των νανοσυρμάτων και της επιφάνειας των βακτηρίων παρέμεινε ένα μυστήριο, προσθέτει. Αυτό συμβαίνει επειδή οι περισσότερες επιφάνειες κυψελών είναι ηλεκτρικά μη αγώγιμες.
«Θεωρήθηκε ότι μια άλλη οικογένεια πρωτεϊνών που είναι ενσωματωμένες στη βακτηριακή μεμβράνη, που ονομάζονται κυτοχρώματα πορίνης, ήταν υπεύθυνη για αυτή τη σύνδεση, παρά το γεγονός ότι τα βακτήρια ήταν σε θέση να μεταδώσουν ηλεκτρισμό ακόμη και απουσία τους», εξηγεί ο Malvankar. «Η παρουσία περιπλασματικών πρωτεϊνών που μεταφέρουν ηλεκτρόνια σε νανοσύρματα εξαλείφει την ανάγκη για ενδιάμεσους φορείς ηλεκτρονίων και εξηγεί πώς τα κύτταρα μεταδίδουν ηλεκτρόνια με εξαιρετικά γρήγορο ρυθμό (ένα εκατομμύριο ηλεκτρόνια ανά δευτερόλεπτο), παρόλο που τα ηλεκτρόνια στις πρωτεΐνες μπορούν να κινηθούν με ρυθμούς τουλάχιστον 10 φορές βραδύτερη."
Επεξεργασία της σχέσης μεταξύ PpcA-E και OmcS
Οι ερευνητές ξεκίνησαν μετρώντας την ενέργεια των ηλεκτρονίων στο OmcS. Βρήκαν ότι ήταν το ίδιο με το PpcA-E, ποιο μέλος της ομάδας Catharine Shipps λέει ήταν εκπληκτικό γιατί η μέτρηση OmcS αναμενόταν να διαφέρει κατά 0.1 V. «Την εποχή των πρώτων μετρήσεων στο OmcS (το 2011), δεν γνωρίζαμε ότι το OmcS σχημάτιζε νανοσύρματα», λέει ο Shipps, ο οποίος εκτέλεσε αυτό το μέρος της εργασίας . «Αυτές οι προηγούμενες μετρήσεις έγιναν αντιμετωπίζοντας τα κυτοχρώματα ως μη νηματώδη, κάτι που θα μπορούσε να εξηγήσει αυτή τη μεγάλη απόκλιση».
Το 2015, ο Salgueiro και οι συνεργάτες του στη NOVA υπέθεσαν ότι τα PpcA-Es θα μπορούσαν να μεταφέρουν ηλεκτρόνια στο OmcS. Ωστόσο, η δοκιμή αυτής της υπόθεσης δεν ήταν εφικτή εκείνη τη στιγμή λόγω της δυσκολίας στην απόκτηση καθαρών νανοσυρμάτων OmcS. Ο Malvankar λέει ότι το εύρημα του Shipps προστέθηκε στην εικόνα υποδεικνύοντας ότι το PpcA-E θα μπορούσε να δωρίσει ηλεκτρόνια απευθείας στο OmcS – κάτι που ένα άλλο μέλος της ομάδας, Βισόκ Σρίκανθ, προτάθηκε αφού παρατήρησε ότι το OmcS και το PpcA-E παραμένουν μαζί όταν εξάγονται από βακτήρια. «Όλα αυτά τα αποτελέσματα μας οδήγησαν να προτείνουμε ότι το PpcA-E θα μπορούσε να περάσει ηλεκτρόνια σε νανοσύρματα», λέει. Στη συνέχεια, οι δύο ομάδες επιβεβαίωσαν την υπόθεσή τους χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού.
Τα μικροβιακά νανοσύρματα δημιουργούν «ηλεκτρονική μύτη» για παρακολούθηση της υγείας
«Η ανακάλυψή μας απλοποιεί σε μεγάλο βαθμό το μοντέλο του τρόπου με τον οποίο τα βακτήρια εξάγουν ηλεκτρόνια υπερνικώντας την αργή ροή ηλεκτρονίων μεταξύ μεμονωμένων πρωτεϊνών», λέει ο Malvankar. Κόσμος Φυσικής. «Η ανακάλυψη ενός άλλου μέλους της ομάδας μας, Cong Shen, ότι αυτή η οικογένεια πρωτεϊνών είναι εξελικτική και διατηρείται σε πολλά είδη, όχι μόνο Geobacter, σημαίνει ότι αυτό το ελάχιστο μηχάνημα καλωδίωσης θα μπορούσε να είναι πανταχού παρόν σε πολλά βακτήρια».
Οι ερευνητές, που αναφέρουν την εργασία τους στο Nature Communications, κατασκευάζουν τώρα τον μηχανισμό που ανακαλύφθηκε πρόσφατα σε βακτήρια που είναι σημαντικά για το κλίμα ή ικανά να παράγουν βιοκαύσιμα. Ο στόχος είναι να βοηθήσουμε αυτούς τους ωφέλιμους οργανισμούς να αναπτυχθούν ταχύτερα. «Εργαζόμαστε επίσης για τον τρόπο με τον οποίο φορτίζεται ένα άλλο νανοσύρμα κυτοχρώματος OmcZ και εντοπίζουμε τον ρόλο των κυτοχρωμάτων της πορίνης σε αυτές τις διαδικασίες», λέει ο Malvankar.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/
