Karena tidak banyak oksigen di bawah tanah, bakteri yang hidup di sana telah mengembangkan cara lain untuk membuang elektron yang mereka hasilkan ketika mereka “bernafas”. Salah satu solusinya adalah dengan mengirimkan filamen konduktif – kawat nano – ke dalam tanah untuk menyebarkan elektron, namun detail penting dari proses ini luput dari pemahaman para ahli biofisika.

Periset di Universitas Yale, AS dan Universitas NOVA Lisbon di Portugal kini telah menemukan hal itu untuk bakteri dalam genus Geobakter, satu keluarga protein bertindak seperti serangkaian “colokan” yang menghubungkan secara elektrik untuk mengisi daya kawat nano mikroba ini. Temuan ini sangat menyederhanakan model bagaimana bakteri ini mengekspor elektron, dan tim mengatakan “mesin pengkabelan minimal” ini mungkin umum terjadi pada spesies bakteri.

Bakteri yang hidup di tanah memiliki dua cara untuk menyumbangkan elektron yang mereka hasilkan ke akseptor elektron eksternal. Yang pertama melibatkan transfer elektron ke mineral tanah dan dikenal sebagai transfer elektron ekstraseluler (EET). Yang kedua, transfer elektron antarspesies langsung (DIET), melibatkan spesies mitra. Kedua proses tersebut penting bagi kemampuan mikroba untuk bertahan hidup dan membentuk komunitas, namun keduanya tidak efisien. Bakteri seperti Geobakter Oleh karena itu, mereka telah berevolusi untuk menghasilkan kawat nano konduktif yang memfasilitasi EET yang lebih cepat dan jarak jauh.

Lima protein

Keluarga protein itu Yale-BARU tim yang diidentifikasi sebagai kunci pengoperasian kawat nano ini mengandung lima protein. Semuanya berada di ruang antara membran dalam dan luar bakteri – periplasma bakteri – dan dikenal sebagai sitokrom periplasma ABCDE (PpcA-E). Protein ini menyuntikkan elektron ke dalam filamen pada permukaan bakteri yang bertindak sebagai kawat nano, menciptakan sambungan listrik untuk “pernapasan logam”. Geobakter.

Sambungan listrik ini memungkinkan Geobakter untuk mentransfer kelebihan elektron yang dihasilkan selama metabolisme ke mineral dalam tanah tanpa memerlukan perantara, jelas Yale's Nikhil Malvankar, yang ikut memimpin penelitian ini dengan Carlos Salgueiro at BARU. Intinya, protein bertindak sebagai penyumbat dalam “jaringan listrik” alami berbasis tanah. Jaringan ini mungkin bertanggung jawab memungkinkan banyak jenis mikroba untuk bertahan hidup dan mendukung kehidupan, kata para peneliti.

Piston mikroskopis mendorong filamen yang terbuat dari sitokrom

Meskipun filamen bakteri pertama kali diamati pada tahun 2002, para ilmuwan awalnya mengira filamen tersebut terdiri dari apa yang disebut protein pili (“pili” berarti “rambut” dalam bahasa Latin). Banyak bakteri yang memiliki pili di permukaannya, dan data genetik menunjukkan bahwa filamen mirip rambut ini juga memainkan peran serupa Geobakter, kata Malvankar. Namun pada tahun 2021, para peneliti di laboratorium Malvankar memecahkan struktur atom pili dan menunjukkan bahwa pili bertindak sebagai piston yang mendorong filamen yang terbuat dari sitokrom. Selain itu, struktur atom sitokrom yang dikenal sebagai OmcS dan OmcZ mencakup rantai molekul heme yang mengandung logam yang membawa elektron (merah pada gambar di atas).

Meskipun struktur atom ini menjelaskan bagaimana kawat nano mengangkut elektron, hubungan antara kawat nano dan permukaan bakteri masih menjadi misteri, tambahnya. Hal ini karena sebagian besar permukaan sel tidak menghantarkan listrik.

“Diperkirakan ada keluarga protein lain yang tertanam dalam membran bakteri, yang disebut sitokrom porin, yang bertanggung jawab atas hubungan ini meskipun bakteri mampu mengirimkan listrik meski tidak ada,” jelas Malvankar. “Kehadiran protein periplasma yang mentransfer elektron ke kawat nano menghilangkan kebutuhan akan pembawa elektron perantara dan menjelaskan bagaimana sel mengirimkan elektron dengan kecepatan yang sangat cepat (satu juta elektron per detik), meskipun elektron dalam protein dapat berpindah dengan kecepatan setidaknya 10 kali lipat. lebih lambat."

Mencari tahu hubungan antara PpcA-E dan OmcS

Para peneliti memulai dengan mengukur energi elektron di OmcS. Mereka menemukannya sama seperti di PpcA-E, yang mana anggota tim Pengiriman Catharine mengatakan hal ini mengejutkan karena pengukuran OmcS diperkirakan berbeda sebesar 0.1 V. “Pada saat pengukuran pertama pada OmcS (pada tahun 2011), kami tidak mengetahui bahwa OmcS membentuk kawat nano,” kata Shipps, yang melakukan bagian pekerjaan ini . “Pengukuran sebelumnya dilakukan dengan memperlakukan sitokrom sebagai non-filamen, sesuatu yang dapat menjelaskan perbedaan besar ini.”

Pada tahun 2015, Salgueiro dan rekannya di NOVA berhipotesis bahwa PpcA-Es dapat mentransfer elektron ke OmcS. Namun, pengujian hipotesis ini tidak dapat dilakukan pada saat itu karena sulitnya mendapatkan kawat nano OmcS yang dimurnikan. Malvankar mengatakan bahwa temuan Shipps menambah gambaran dengan menyarankan bahwa PpcA-E dapat menyumbangkan elektron langsung ke OmcS – sesuatu yang anggota tim lainnya, Vishok Srikanth, diusulkan setelah menyadari bahwa OmcS dan PpcA-E tetap bersama ketika diekstraksi dari bakteri. “Semua hasil ini mengarahkan kami untuk mengusulkan bahwa PpcA-E dapat meneruskan elektron ke kawat nano,” katanya. Kedua kelompok kemudian mengkonfirmasi hipotesis mereka menggunakan spektroskopi resonansi magnetik nuklir.

“Penemuan kami sangat menyederhanakan model bagaimana bakteri mengekspor elektron dengan mengatasi aliran elektron yang lambat di antara masing-masing protein,” kata Malvankar. Dunia Fisika. “Penemuan oleh anggota tim kami yang lain, Kong Shen, bahwa keluarga protein ini bersifat evolusioner dan dilestarikan di banyak spesies, tidak hanya Geobakter, berarti mesin pengkabelan minimal ini dapat ditemukan di mana-mana pada banyak bakteri.”

Para peneliti, yang melaporkan pekerjaan mereka di Alam Komunikasi, kini sedang merekayasa mekanisme yang baru ditemukan menjadi bakteri yang penting bagi iklim atau mampu membuat biofuel. Tujuannya adalah untuk membantu organisme bermanfaat ini tumbuh lebih cepat. “Kami juga sedang mengerjakan bagaimana kawat nano lain dari sitokrom OmcZ diisi dan mengidentifikasi peran porin-sitokrom dalam proses ini,” kata Malvankar.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/