Omdat er diep onder de grond niet veel zuurstof zit, hebben de bacteriën die daar leven andere manieren ontwikkeld om zich te ontdoen van de elektronen die ze produceren als ze “ademen”. Eén van deze oplossingen is het sturen van geleidende filamenten – nanodraden – de grond in om de elektronen te verspreiden, maar belangrijke details van dit proces zijn het begrip van biofysici ontgaan.

Onderzoekers bij Yale universiteit, Wij en NOVA Universiteit Lissabon in Portugal hebben dat nu gevonden voor bacteriën van het geslacht Geobacter, fungeert een enkele eiwitfamilie als een reeks elektrisch verbindende ‘stekkers’ voor het opladen van deze microbiële nanodraden. De bevinding vereenvoudigt het model van hoe deze bacteriën elektronen exporteren enorm, en het team zegt dat deze “minimale bedradingsmachinerie” veel voorkomt bij bacteriesoorten.

Bacteriën die in de bodem leven, hebben twee manieren om de elektronen die ze produceren te doneren aan externe elektronenacceptoren. De eerste omvat het overbrengen van de elektronen naar bodemmineralen en staat bekend als extracellulaire elektronenoverdracht (EET). Bij de tweede, directe interspecies elektronenoverdracht (DIET), zijn partnersoorten betrokken. Beide processen zijn essentieel voor het vermogen van de microben om te overleven en gemeenschappen te vormen, maar ze kunnen inefficiënt zijn. Bacteriën houden van Geobacter zijn daarom geëvolueerd om geleidende nanodraden te produceren die snellere EET over lange afstanden mogelijk maken.

Vijf eiwitten

De eiwitfamilie de Yale-NIEUW team geïdentificeerd als de sleutel tot de werking van deze nanodraden bevat vijf eiwitten. Ze bevinden zich allemaal in de ruimte tussen het binnen- en buitenmembraan van de bacterie – het bacteriële periplasma – en staan ​​bekend als periplasmatisch cytochroom ABCDE (PpcA-E). Deze eiwitten injecteren elektronen in filamenten op bacteriële oppervlakken die fungeren als nanodraden, waardoor een elektrische verbinding ontstaat voor ‘metaalademhaling’ Geobacter.

Deze elektrische verbinding maakt dit mogelijk Geobacter om overtollige elektronen die tijdens het metabolisme worden geproduceerd over te dragen naar mineralen in de bodem zonder dat er tussenpersonen nodig zijn, legt Yale's uit Nikhil Malvankar, die samen met hem het onderzoek leidde Carlos Salgueiro at NIEUW. In wezen fungeren de eiwitten als pluggen binnen een natuurlijk, op de bodem gebaseerd “elektriciteitsnet”. Dit netwerk kan ervoor zorgen dat veel soorten microben kunnen overleven en het leven kunnen ondersteunen, zeggen de onderzoekers.

Microscopische zuigers duwen filamenten gemaakt van cytochromen

Hoewel bacteriële filamenten voor het eerst werden waargenomen in 2002, dachten wetenschappers aanvankelijk dat ze bestonden uit zogenaamde pili-eiwitten (“pili” betekent “haren” in het Latijn). Veel bacteriën hebben pili op hun oppervlak, en genetische gegevens suggereerden dat deze haarachtige filamenten daarin een vergelijkbare rol zouden kunnen spelen Geobacter, zegt Malvankar. In 2021 hebben onderzoekers in het laboratorium van Malvankar echter de atomaire structuur van pili opgelost en aangetoond dat ze in plaats daarvan fungeren als zuigers die filamenten uit cytochromen voortduwen. Bovendien bevatten de atomaire structuren van cytochromen, bekend als OmcS en OmcZ, een keten van metaalhoudende heemmoleculen die elektronen dragen (rood in de afbeelding hierboven).

Hoewel deze atomaire structuren verklaarden hoe nanodraden elektronen transporteren, bleef de verbinding tussen de nanodraden en het oppervlak van de bacterie een mysterie, voegt hij eraan toe. Dit komt omdat de meeste celoppervlakken elektrisch niet-geleidend zijn.

“Men dacht dat een andere familie van eiwitten ingebed in het bacteriële membraan, porinecytochromen genaamd, verantwoordelijk was voor deze verbinding, ondanks dat bacteriën zelfs in hun afwezigheid elektriciteit konden overbrengen”, legt Malvankar uit. “De aanwezigheid van periplasmatische eiwitten die elektronen naar nanodraden overbrengen, elimineert de behoefte aan tussenliggende elektronendragers en verklaart hoe cellen elektronen met een opmerkelijk hoge snelheid (een miljoen elektronen per seconde) overbrengen, ook al kunnen elektronen in eiwitten met een snelheid van minstens 10 keer bewegen. langzamer.”

Het uitwerken van de relatie tussen PpcA-E en OmcS

De onderzoekers begonnen met het meten van de energie van elektronen in OmcS. Ze ontdekten dat het hetzelfde was als in PpcA-E, welk teamlid Catharine Shipps zegt verrassend omdat de OmcS-meting naar verwachting 0.1 V zou verschillen. “Ten tijde van de eerste metingen aan OmcS (in 2011) wisten we niet dat OmcS nanodraden vormde”, zegt Shipps, die dit deel van het werk uitvoerde . "Deze eerdere metingen zijn gedaan door de cytochromen als niet-filamenten te behandelen, iets dat deze grote discrepantie zou kunnen verklaren."

In 2015 veronderstelden Salgueiro en collega's van NOVA dat PpcA-Es elektronen naar OmcS zouden kunnen overbrengen. Het testen van deze hypothese was destijds echter niet haalbaar vanwege de moeilijkheid om gezuiverde OmcS-nanodraden te verkrijgen. Malvankar zegt dat de bevinding van Shipps aan het beeld heeft bijgedragen door te suggereren dat PpcA-E elektronen rechtstreeks aan OmcS zou kunnen doneren – iets dat een ander teamlid, Vishok Srikanth, voorgesteld na te hebben opgemerkt dat OmcS en PpcA-E bij elkaar blijven wanneer ze uit bacteriën worden geëxtraheerd. “Al deze resultaten brachten ons ertoe te suggereren dat PpcA-E elektronen naar nanodraden zou kunnen doorgeven”, zegt hij. De twee groepen bevestigden vervolgens hun hypothese met behulp van nucleaire magnetische resonantiespectroscopie.

“Onze ontdekking vereenvoudigt het model van hoe bacteriën elektronen exporteren aanzienlijk door de langzame elektronenstroom tussen individuele eiwitten te overwinnen”, vertelt Malvankar. Natuurkunde wereld. “De ontdekking door een ander van onze teamleden, Cong Shen, dat deze eiwitfamilie evolutionair is en bij veel soorten behouden blijft, en niet alleen Geobacterbetekent dat deze minimale bedradingsmachinerie alomtegenwoordig zou kunnen zijn in veel bacteriën.”

De onderzoekers, die hun werk rapporteren in Nature Communications, zijn het nieuw ontdekte mechanisme nu aan het verwerken in bacteriën die belangrijk zijn voor het klimaat of die biobrandstoffen kunnen maken. Het doel is om deze nuttige organismen sneller te laten groeien. "We werken ook aan hoe een andere nanodraad van cytochroom OmcZ wordt geladen en identificeren de rol van porine-cytochromen in deze processen", zegt Malvankar.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/