지하 깊은 곳에는 산소가 많지 않기 때문에 그곳에 사는 박테리아는 "호흡"할 때 생산하는 전자를 제거하는 다른 방법으로 진화했습니다. 이러한 해결 방법 중 하나는 전도성 필라멘트(나노와이어)를 토양에 보내 전자를 분산시키는 것인데, 이 과정의 중요한 세부 사항은 생물물리학자들의 이해를 벗어나고 있습니다.
연구원 예일 대학교, 미국 및 NOVA 대학 리스본 포르투갈에서는 이제 속(屬)의 박테리아에 대해 다음과 같은 사실을 발견했습니다. 지오박터, 단일 단백질 계열은 이러한 미생물 나노와이어를 충전하기 위해 일련의 전기 연결 "플러그"처럼 작동합니다. 이번 발견은 이러한 박테리아가 전자를 내보내는 방식에 대한 모델을 크게 단순화했으며, 연구팀은 이 "최소 배선 기계"가 박테리아 종들 사이에서 흔히 나타날 수 있다고 말합니다.
토양에 사는 박테리아는 자신이 생산한 전자를 외부 전자 수용체에 기증하는 두 가지 방법을 가지고 있습니다. 첫 번째는 전자를 토양 광물로 전달하는 것과 관련되며 세포외 전자 전달(EET)로 알려져 있습니다. 두 번째, 직접 종간 전자 전달(DIET)은 파트너 종을 포함합니다. 두 과정 모두 미생물이 생존하고 군집을 형성하는 능력에 필수적이지만 비효율적일 수 있습니다. 박테리아 같은 지오박터 따라서 더 빠르고 장거리 EET를 촉진하는 전도성 나노와이어를 생산하도록 진화했습니다.
5가지 단백질
단백질 계열은 예일 대학-NEW 이 나노와이어 작동의 핵심으로 확인된 팀에는 5가지 단백질이 포함되어 있습니다. 이들 모두는 박테리아의 내막과 외막 사이의 공간인 박테리아 주변세포질에 존재하며 주변세포질 시토크롬 ABCDE(PpcA-E)로 알려져 있습니다. 이 단백질은 나노와이어 역할을 하는 박테리아 표면의 필라멘트에 전자를 주입하여 "금속 호흡"을 위한 전기 연결을 생성합니다. 지오박터.
이 전기 연결을 통해 지오박터 대사 과정에서 생성된 과잉 전자를 중개자 없이 토양의 미네랄로 전달하기 위해 Yale의 설명 니킬 말반카르, 함께 연구를 주도 카를로스 살게이로 at NEW. 본질적으로, 단백질은 천연 토양 기반의 "전기 그리드" 내에서 플러그 역할을 합니다. 연구자들은 이 격자가 많은 종류의 미생물이 생존하고 생명을 유지하도록 하는 역할을 할 수 있다고 말합니다.
미세한 피스톤이 시토크롬으로 만들어진 필라멘트를 밀어냅니다.
박테리아 필라멘트가 2002년에 처음 관찰되었지만 과학자들은 처음에 그것이 소위 필리 단백질("필리"는 라틴어로 "털"을 의미함)로 구성되어 있다고 생각했습니다. 많은 박테리아는 표면에 털을 갖고 있으며, 유전적 데이터에 따르면 이 털 같은 필라멘트가 다음과 같은 역할을 할 수 있다고 합니다. 지오박테r, Malvankar는 말합니다. 그러나 2021년 Malvankar 연구실의 연구원들은 필리의 원자 구조를 해결하고 대신 시토크롬으로 구성된 필라멘트를 밀어내는 피스톤 역할을 한다는 것을 보여주었습니다. 또한 OmcS 및 OmcZ로 알려진 시토크롬의 원자 구조에는 전자를 운반하는 금속 함유 헴 분자 사슬이 포함되어 있습니다(위 이미지에서 빨간색).
이러한 원자 구조는 나노와이어가 전자를 어떻게 운반하는지 설명했지만, 나노와이어와 박테리아 표면 사이의 연결은 미스터리로 남아 있다고 그는 덧붙였습니다. 이는 대부분의 세포 표면이 전기적으로 비전도성이기 때문입니다.
Malvankar는 “세균막에 내장된 또 다른 단백질 계열인 포린 시토크롬(porin cytochromes)이 박테리아가 없어도 전기를 전달할 수 있음에도 불구하고 이러한 연결을 담당하는 것으로 생각되었습니다.”라고 Malvankar는 설명합니다. “나노와이어에 전자를 전달하는 주변 세포질 단백질이 존재하면 중간 전자 운반체가 필요하지 않으며, 단백질의 전자가 최소 10배의 속도로 이동할 수 있음에도 불구하고 세포가 어떻게 전자를 매우 빠른 속도(초당 백만 개의 전자)로 전달하는지 설명합니다. 천천히.”
PpcA-E와 OmcS 간의 관계 분석
연구진은 OmcS의 전자 에너지를 측정하는 것부터 시작했습니다. 그들은 PpcA-E와 동일하다는 것을 발견했습니다. 캐서린 쉽스 "OmcS 측정이 0.1V만큼 다를 것으로 예상되었기 때문에 매우 놀랐습니다. OmcS에 대한 첫 번째 측정 당시(2011년) 우리는 OmcS가 나노와이어를 형성했다는 사실을 몰랐습니다."라고 Shipps는 말했습니다. . "이러한 이전 측정은 시토크롬을 비섬유성으로 처리하여 이루어졌으며, 이는 이러한 큰 불일치를 설명할 수 있습니다."
2015년 NOVA의 Salgueiro와 동료들은 PpcA-E가 전자를 OmcS로 전달할 수 있다는 가설을 세웠습니다. 그러나 정제된 OmcS 나노와이어를 얻는 것이 어렵기 때문에 당시에는 이 가설을 테스트하는 것이 불가능했습니다. Malvankar는 Shipps의 발견이 PpcA-E가 OmcS에 직접 전자를 기증할 수 있다고 제안함으로써 그림에 추가되었다고 말했습니다. 비쇼크 스리칸트, 박테리아에서 추출할 때 OmcS와 PpcA-E가 함께 유지된다는 사실을 확인한 후 제안되었습니다. "이러한 모든 결과로 인해 우리는 PpcA-E가 전자를 나노와이어에 전달할 수 있다는 것을 제안하게 되었습니다."라고 그는 말합니다. 두 그룹은 핵자기공명분광법을 이용해 자신들의 가설을 확인했다.
건강 모니터링을 위한 '전자 코'를 만드는 미생물 나노와이어
"우리의 발견은 개별 단백질 간의 느린 전자 흐름을 극복하여 박테리아가 전자를 내보내는 방법에 대한 모델을 크게 단순화합니다"라고 Malvankar는 말합니다. 물리 세계. “다른 팀원이 발견한 것, 콩 셴, 이 단백질 계열은 진화적이며 많은 종에 걸쳐 보존되어 있습니다. 지오박터, 이 최소한의 배선 기계가 많은 박테리아에서 어디에나 존재할 수 있음을 의미합니다.”
에 그들의 작업을 보고하는 연구원들은 자연 통신, 현재 새로 발견된 메커니즘을 기후에 중요하거나 바이오 연료를 만들 수 있는 박테리아로 설계하고 있습니다. 목표는 이러한 유익한 유기체가 더 빨리 성장하도록 돕는 것입니다. Malvankar는 “우리는 또한 시토크롬 OmcZ의 또 다른 나노와이어가 어떻게 충전되는지 연구하고 있으며 이러한 과정에서 포린-시토크롬의 역할을 확인하고 있습니다.”라고 말했습니다.
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- 출처: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/
