Parce qu'il n'y a pas beaucoup d'oxygène dans les profondeurs souterraines, les bactéries qui y vivent ont développé d'autres moyens pour se débarrasser des électrons qu'elles produisent lorsqu'elles « respirent ». L'une de ces solutions consiste à envoyer des filaments conducteurs – des nanofils – dans le sol pour disperser les électrons, mais des détails importants de ce processus ont échappé à la compréhension des biophysiciens.

Chercheurs à Université de Yale, États-Unis et Université NOVA de Lisbonne au Portugal ont découvert que pour les bactéries du genre Géobactérie, une seule famille de protéines agit comme une série de « fiches » de connexion électrique pour charger ces nanofils microbiens. Cette découverte simplifie grandement le modèle de la façon dont ces bactéries exportent des électrons, et l’équipe affirme que cette « machinerie de câblage minimale » pourrait être courante parmi les espèces bactériennes.

Les bactéries qui vivent dans le sol ont deux manières de donner les électrons qu’elles produisent à des accepteurs d’électrons externes. La première consiste à transférer les électrons vers les minéraux du sol et est connue sous le nom de transfert d’électrons extracellulaires (EET). Le deuxième, le transfert direct d’électrons interspécifiques (DIET), implique les espèces partenaires. Ces deux processus sont essentiels à la capacité des microbes à survivre et à former des communautés, mais ils peuvent s'avérer inefficaces. Des bactéries comme Géobactérie ont donc évolué pour produire des nanofils conducteurs qui facilitent un EET plus rapide et à longue portée.

Cinq protéines

La famille des protéines Yale-NOUVEAU L'équipe identifiée comme clé du fonctionnement de ces nanofils contient cinq protéines. Tous résident dans l’espace entre la membrane interne et externe de la bactérie – le périplasme bactérien – et sont connus sous le nom de cytochrome périplasmique ABCDE (PpcA-E). Ces protéines injectent des électrons dans des filaments situés sur des surfaces bactériennes qui agissent comme des nanofils, créant ainsi une connexion électrique permettant la « respiration du métal ». Géobactérie.

Cette connexion électrique permet Géobactérie pour transférer les électrons en excès produits au cours du métabolisme vers les minéraux du sol sans avoir recours à des intermédiaires, explique l'étude de Yale. Nikhil Malvankar, qui a codirigé l'étude avec Carlos Salgueiro at NOUVEAU. Essentiellement, les protéines agissent comme des bouchons au sein d’un « réseau électrique » naturel basé sur le sol. Selon les chercheurs, cette grille pourrait permettre à de nombreux types de microbes de survivre et de soutenir la vie.

Des pistons microscopiques poussent des filaments constitués de cytochromes

Bien que les filaments bactériens aient été observés pour la première fois en 2002, les scientifiques pensaient initialement qu’ils étaient constitués de protéines dites pili (« pili » signifie « poils » en latin). De nombreuses bactéries ont des pili à leur surface, et les données génétiques suggèrent que ces filaments ressemblant à des cheveux pourraient jouer un rôle similaire dans Géobacter, dit Malvankar. En 2021, cependant, des chercheurs du laboratoire de Malvankar ont résolu la structure atomique des pili et ont montré qu'ils agissent plutôt comme des pistons qui poussent les filaments constitués de cytochromes. De plus, les structures atomiques des cytochromes connues sous le nom d'OmcS et OmcZ comprennent une chaîne de molécules d'hème contenant des métaux qui transportent des électrons (en rouge dans l'image ci-dessus).

Même si ces structures atomiques expliquent comment les nanofils transportent les électrons, la connexion entre les nanofils et la surface de la bactérie reste un mystère, ajoute-t-il. En effet, la plupart des surfaces des cellules sont électriquement non conductrices.

"On pensait qu'une autre famille de protéines intégrées dans la membrane bactérienne, appelées cytochromes de porine, était responsable de cette connexion, bien que les bactéries soient capables de transmettre de l'électricité même en leur absence", explique Malvankar. "La présence de protéines périplasmiques transférant des électrons vers des nanofils élimine le besoin de porteurs d'électrons intermédiaires et explique comment les cellules transmettent les électrons à une vitesse remarquablement rapide (un million d'électrons par seconde), même si les électrons des protéines peuvent se déplacer à des vitesses au moins 10 fois supérieures. Ralentissez."

Élaborer la relation entre PpcA-E et OmcS

Les chercheurs ont commencé par mesurer l’énergie des électrons dans OmcS. Ils ont découvert que c'était la même chose que dans PpcA-E, quel membre de l'équipe Catherine Shipps "C'était surprenant car la mesure OmcS devait différer de 0.1 V. "Au moment des premières mesures sur OmcS (en 2011), nous ne savions pas qu'OmcS formait des nanofils", explique Shipps, qui a réalisé cette partie du travail. . "Ces mesures précédentes ont été effectuées en traitant les cytochromes comme non filamenteux, ce qui pourrait expliquer cet écart important."

En 2015, Salgueiro et ses collègues de NOVA ont émis l'hypothèse que les PpcA-E pourraient transférer des électrons vers OmcS. Cependant, tester cette hypothèse n’était pas réalisable à l’époque en raison de la difficulté d’obtenir des nanofils OmcS purifiés. Malvankar dit que la découverte de Shipps a ajouté au tableau en suggérant que PpcA-E pourrait donner des électrons directement à OmcS – ce qu'un autre membre de l'équipe, Vishok Srikanth, proposé après avoir remarqué qu'OmcS et PpcA-E restent ensemble lorsqu'ils sont extraits de bactéries. "Tous ces résultats nous ont amenés à proposer que PpcA-E pourrait transmettre des électrons aux nanofils", explique-t-il. Les deux groupes ont ensuite confirmé leur hypothèse grâce à la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire.

"Notre découverte simplifie grandement le modèle de la façon dont les bactéries exportent des électrons en surmontant le flux lent d'électrons entre les protéines individuelles", explique Malvankar. Monde de la physique. « La découverte par un autre membre de notre équipe, Cong Shen, que cette famille de protéines est évolutive et conservée dans de nombreuses espèces, pas seulement Géobactérie, signifie que cette machinerie de câblage minimale pourrait être omniprésente chez de nombreuses bactéries.

Les chercheurs, qui rapportent leurs travaux Communications Nature, intègrent actuellement le mécanisme nouvellement découvert à des bactéries importantes pour le climat ou capables de produire des biocarburants. L’objectif est d’aider ces organismes bénéfiques à se développer plus rapidement. "Nous travaillons également sur la manière dont un autre nanofil de cytochrome OmcZ est chargé et identifions le rôle des cytochromes porines dans ces processus", explique Malvankar.

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