Eftersom det inte finns mycket syre djupt under jorden, har bakterierna som lever där utvecklats på andra sätt att bli av med elektronerna de producerar när de "andas". En av dessa lösningar innebär att skicka ut ledande filament – ​​nanotrådar – i jorden för att sprida elektronerna, men viktiga detaljer i denna process har undgått biofysikers förståelse.

Forskare på Yale universitet, USA och NOVA University Lissabon i Portugal har nu hittat det för bakterier i släktet Geobacter, fungerar en enda proteinfamilj som en serie elektriskt anslutande "pluggar" för att ladda dessa mikrobiella nanotrådar. Fyndet förenklar modellen avsevärt för hur dessa bakterier exporterar elektroner, och teamet säger att detta "minimala ledningsmaskineri" kan vara vanligt bland bakteriearter.

Bakterier som lever i jord har två sätt att donera de elektroner de producerar till externa elektronacceptorer. Den första innebär att överföra elektronerna till jordmineraler och är känd som extracellulär elektronöverföring (EET). Den andra, direkt interspecies elektronöverföring (DIET), involverar partnerarter. Båda processerna är avgörande för mikrobernas förmåga att överleva och bilda gemenskaper, men de kan vara ineffektiva. Bakterier som Geobacter har därför utvecklats till att producera ledande nanotrådar som underlättar snabbare, långväga EET.

Fem proteiner

Proteinfamiljen Yale-NY team som identifierats som nyckeln till driften av dessa nanotrådar innehåller fem proteiner. Alla av dem finns i utrymmet mellan bakteriernas inre och yttre membran – den bakteriella periplasman – och de är kända som periplasmatisk cytokrom ABCDE (PpcA-E). Dessa proteiner injicerar elektroner i filament på bakterieytor som fungerar som nanotrådar, vilket skapar en elektrisk anslutning för "metallandning" Geobacter.

Denna elektriska anslutning tillåter Geobacter att överföra överskott av elektroner som produceras under metabolism till mineraler i marken utan behov av mellanhänder, förklarar Yales Nikhil Malvankar, som ledde studien tillsammans med Carlos Salgueiro at NY. I huvudsak fungerar proteinerna som pluggar inom ett naturligt jordbaserat "elektriskt nät". Detta rutnät kan vara ansvarigt för att tillåta många typer av mikrober att överleva och stödja liv, säger forskarna.

Mikroskopiska kolvar trycker filament gjorda av cytokromer

Även om bakteriefilament först observerades 2002, trodde forskare från början att de bestod av så kallade pili-proteiner ("pili" betyder "hår" på latin). Många bakterier har pili på sin yta, och genetiska data tyder på att dessa hårliknande filament kan spela en liknande roll i Geobacter, säger Malvankar. 2021 löste dock forskare i Malvankars labb pili-atomstrukturen och visade att de istället fungerar som kolvar som trycker på filament som består av cytokromer. Dessutom inkluderar de atomära strukturerna av cytokromer som kallas OmcS och OmcZ en kedja av metallinnehållande hemmolekyler som bär elektroner (röd i bilden ovan).

Medan dessa atomstrukturer förklarade hur nanotrådar transporterar elektroner, förblev kopplingen mellan nanotrådarna och bakteriens yta ett mysterium, tillägger han. Detta beror på att de flesta cellytor är elektriskt icke-ledande.

"Man trodde att en annan familj av proteiner inbäddade i bakteriemembranet, kallade porincytokromer, var ansvarig för denna koppling trots att bakterier kunde överföra elektricitet även i deras frånvaro", förklarar Malvankar. "Närvaron av periplasmatiska proteiner som överför elektroner till nanotrådar eliminerar behovet av alla mellanliggande elektronbärare och förklarar hur celler överför elektroner med en anmärkningsvärt snabb hastighet (en miljon elektroner per sekund), även om elektroner i proteiner kan röra sig i hastigheter minst 10 gånger långsammare."

Arbeta ut förhållandet mellan PpcA-E och OmcS

Forskarna började med att mäta energin hos elektroner i OmcS. De fann att det var samma som i PpcA-E, vilken gruppmedlem Catharine Shipps säger var förvånande eftersom OmcS-mätningen förväntades skilja sig med 0.1 V. "Vid tidpunkten för de första mätningarna på OmcS (2011) visste vi inte att OmcS bildade nanotrådar", säger Shipps, som utförde denna del av arbetet . "Dessa tidigare mätningar gjordes genom att behandla cytokromerna som icke-filamentösa, något som kan förklara denna stora skillnad."

2015 antog Salgueiro och kollegor på NOVA att PpcA-Es kunde överföra elektroner till OmcS. Det var dock inte möjligt att testa denna hypotes vid den tiden på grund av svårigheten att erhålla renade OmcS nanotrådar. Malvankar säger att Shipps fynd lade till bilden genom att föreslå att PpcA-E kunde donera elektroner direkt till OmcS – något som en annan teammedlem, Vishok Srikanth, föreslog efter att ha märkt att OmcS och PpcA-E förblir tillsammans när de extraheras från bakterier. "Alla dessa resultat ledde oss till att föreslå att PpcA-E skulle kunna överföra elektroner till nanotrådar", säger han. De två grupperna bekräftade sedan sin hypotes med hjälp av kärnmagnetisk resonansspektroskopi.

"Vår upptäckt förenklar modellen avsevärt för hur bakterier exporterar elektroner genom att övervinna långsamma elektronflöden mellan enskilda proteiner," säger Malvankar Fysikvärlden. "Upptäckten av en annan av våra teammedlemmar, Cong Shen, att denna proteinfamilj är evolutionär och bevarad över många arter, inte bara Geobacter, betyder att detta minimala kabeldragningsmaskineri kan vara allestädes närvarande i många bakterier."

Forskarna, som rapporterar sitt arbete i Nature Communications, utvecklar nu den nyupptäckta mekanismen till bakterier som är viktiga för klimatet eller som kan göra biobränslen. Syftet är att hjälpa dessa nyttiga organismer att växa snabbare. "Vi arbetar också med hur en annan nanotråd av cytokrom OmcZ laddas och identifierar rollen av porin-cytokromer i dessa processer," säger Malvankar.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/