Bởi vì không có nhiều oxy ở sâu dưới lòng đất nên vi khuẩn sống ở đó đã tiến hóa theo những cách khác để loại bỏ các electron mà chúng tạo ra khi chúng “thở”. Một trong những giải pháp này liên quan đến việc gửi các sợi dẫn điện – các dây nano – vào đất để phân tán các electron, nhưng các chi tiết quan trọng của quá trình này vẫn chưa được các nhà vật lý sinh học hiểu rõ.

Các nhà nghiên cứu tại đại học Yale, Mỹ và Đại học NOVA Lisbon ở Bồ Đào Nha hiện đã phát hiện ra rằng đối với vi khuẩn trong chi vi khuẩn địa cầu, một họ protein duy nhất hoạt động giống như một loạt các “phích cắm” kết nối điện để sạc các dây nano vi sinh vật này. Phát hiện này giúp đơn giản hóa rất nhiều mô hình về cách những vi khuẩn này xuất electron và nhóm nghiên cứu cho biết “bộ máy nối dây tối thiểu” này có thể phổ biến ở các loài vi khuẩn.

Vi khuẩn sống trong đất có hai cách cung cấp các electron mà chúng tạo ra cho các chất nhận điện tử bên ngoài. Đầu tiên liên quan đến việc chuyển các electron sang khoáng chất trong đất và được gọi là chuyển điện tử ngoại bào (EET). Thứ hai, chuyển điện tử trực tiếp giữa các loài (DIET), liên quan đến các loài đối tác. Cả hai quá trình đều quan trọng đối với khả năng tồn tại và hình thành cộng đồng của vi khuẩn, nhưng chúng có thể không hiệu quả. Vi khuẩn như vi khuẩn địa cầu do đó đã phát triển để sản xuất các dây nano dẫn điện tạo điều kiện cho EET tầm xa và nhanh hơn.

Năm protein

Họ protein Yale–NEW nhóm được xác định là chìa khóa cho hoạt động của các dây nano này có chứa năm protein. Tất cả chúng đều cư trú trong khoảng trống giữa màng trong và màng ngoài của vi khuẩn – chất ngoại bào của vi khuẩn – và chúng được gọi là cytochrome ngoại chất ABCDE (PpcA-E). Những protein này bơm electron vào các sợi trên bề mặt vi khuẩn hoạt động như dây nano, tạo ra kết nối điện cho “thở kim loại” vi khuẩn địa cầu.

Kết nối điện này cho phép vi khuẩn địa cầu để chuyển các electron dư thừa được tạo ra trong quá trình trao đổi chất thành các khoáng chất trong đất mà không cần qua trung gian, Yale giải thích Nikhil Malvankar, người đồng chủ trì nghiên cứu với Carlos Salgueiro at NEW. Về bản chất, các protein hoạt động như phích cắm trong “lưới điện” tự nhiên trên đất. Các nhà nghiên cứu cho biết, mạng lưới này có thể chịu trách nhiệm cho phép nhiều loại vi khuẩn tồn tại và hỗ trợ sự sống.

Các piston siêu nhỏ đẩy các sợi làm từ cytochrome

Mặc dù các sợi vi khuẩn được quan sát lần đầu tiên vào năm 2002, nhưng các nhà khoa học ban đầu nghĩ rằng chúng được tạo thành từ cái gọi là protein pili (“pili” có nghĩa là “sợi lông” trong tiếng Latin). Nhiều vi khuẩn có lông trên bề mặt và dữ liệu di truyền cho thấy những sợi lông này có thể đóng vai trò tương tự trong cơ thể. vi khuẩn địa cầur, Malvankar nói. Tuy nhiên, vào năm 2021, các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Malvankar đã giải quyết được cấu trúc nguyên tử của pili và chỉ ra rằng thay vào đó chúng hoạt động như các pít-tông đẩy các sợi được tạo thành từ các cytochrome. Ngoài ra, cấu trúc nguyên tử của cytochrome được gọi là OmcS và OmcZ bao gồm một chuỗi các phân tử heme chứa kim loại mang electron (màu đỏ trong hình trên).

Ông cho biết thêm, trong khi những cấu trúc nguyên tử này giải thích cách các dây nano vận chuyển electron thì mối liên hệ giữa dây nano và bề mặt vi khuẩn vẫn còn là một bí ẩn. Điều này là do hầu hết các bề mặt tế bào đều không dẫn điện.

Malvankar giải thích: “Người ta cho rằng một họ protein khác gắn trong màng vi khuẩn, được gọi là porin cytochromes, chịu trách nhiệm cho sự kết nối này mặc dù vi khuẩn có thể truyền điện ngay cả khi không có chúng”. “Sự hiện diện của các protein ngoại chất chuyển electron sang dây nano giúp loại bỏ sự cần thiết của bất kỳ chất mang điện tử trung gian nào và giải thích cách các tế bào truyền electron với tốc độ cực nhanh (một triệu electron mỗi giây), mặc dù các electron trong protein có thể di chuyển với tốc độ ít nhất 10 lần.” Chậm hơn."

Tìm ra mối quan hệ giữa PpcA-E và OmcS

Các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng việc đo năng lượng của các electron trong OmcS. Họ nhận thấy nó giống như trong PpcA-E, thành viên nào trong nhóm Catharine Shipps nói thật đáng ngạc nhiên vì phép đo OmcS dự kiến ​​sẽ chênh lệch 0.1 V. “Vào thời điểm thực hiện các phép đo đầu tiên trên OmcS (năm 2011), chúng tôi không biết rằng OmcS hình thành các dây nano,” Shipps, người thực hiện phần công việc này, cho biết . “Những phép đo trước đây được thực hiện bằng cách coi các cytochrome không phải dạng sợi, điều này có thể giải thích sự khác biệt lớn này.”

Vào năm 2015, Salgueiro và các đồng nghiệp tại NOVA đã đưa ra giả thuyết rằng PpcA-E có thể chuyển electron sang OmcS. Tuy nhiên, việc kiểm tra giả thuyết này vào thời điểm đó không khả thi do khó thu được dây nano OmcS tinh khiết. Malvankar nói rằng phát hiện của Shipps đã bổ sung thêm bức tranh bằng cách gợi ý rằng PpcA-E có thể tặng electron trực tiếp cho OmcS – điều mà một thành viên khác trong nhóm, Vishok Srikanth, được đề xuất sau khi nhận thấy OmcS và PpcA-E ở cùng nhau khi được chiết xuất từ ​​​​vi khuẩn. “Tất cả những kết quả này khiến chúng tôi đề xuất rằng PpcA-E có thể truyền electron sang dây nano,” ông nói. Sau đó, hai nhóm đã xác nhận giả thuyết của mình bằng phương pháp quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân.

Malvankar cho biết: “Khám phá của chúng tôi đơn giản hóa rất nhiều mô hình về cách vi khuẩn xuất electron bằng cách khắc phục dòng điện tử chậm giữa các protein riêng lẻ”. Thế giới vật lý. “Khám phá của một thành viên khác trong nhóm của chúng tôi, Công thần, rằng họ protein này được tiến hóa và bảo tồn ở nhiều loài, không chỉ vi khuẩn địa cầu, có nghĩa là bộ máy nối dây tối thiểu này có thể có mặt khắp nơi ở nhiều vi khuẩn.”

Các nhà nghiên cứu, những người báo cáo công việc của họ trong Nature Communicationshiện đang chế tạo cơ chế mới được phát hiện thành vi khuẩn quan trọng đối với khí hậu hoặc có khả năng tạo ra nhiên liệu sinh học. Mục đích là giúp những sinh vật có lợi này phát triển nhanh hơn. Malvankar cho biết: “Chúng tôi cũng đang nghiên cứu cách tích điện một dây nano khác của cytochrome OmcZ và xác định vai trò của porin-cytochromes trong các quá trình này”.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/