Mange flere bakterier har elektrisk ledende filamenter

Mikrobiologer ledet af Derek Lovley ved University of Massachusetts Amherst, der er internationalt kendt for at have opdaget elektrisk ledende mikrofilamenter eller "nanotråde" i bakterien Geobacter, annoncere i et nyt papir i denne måned, at de har opdaget de uventede strukturer i mange andre arter, udvidelse af forskningsfeltet om elektrisk ledende filamenter. Detaljer vises online i International Society of Microbial Ecology Journal .

Lovley, der udgav sit første papir om Geobacter for 30 år siden, forklarer, "Geobacter har udviklet disse specielle filamenter med en meget kort grundenhed, der kaldes en pilin, der samles for at danne lange kæder, der ligner et snoet reb. De fleste bakterier har en grundlæggende underenhed, der er to til tre gange længere. Har elektrisk ledende pili eller e-pili er en nylig evolutionær begivenhed i Geobacter, så arbejdshypotesen var, at denne evne kun ville findes hos dens nære slægtninge. "

Han tilføjer, "Det var overraskende for os, og jeg tror, ​​at mange mennesker vil blive overrasket over at lære, at konceptet om, at mikrober har brug for den korte pilin-underenhed for at producere e-pili, er forkert. Vi har fundet ud af, at nogle meget større pilins også kan give e-pili, og at evnen til at udtrykke e-pili er opstået uafhængigt flere gange i udviklingen af ​​forskellige mikrobielle grupper. "Han og medforfattere tilføjer, at" e-pili kan have en vigtig rolle i den biogeokemiske cyklus af kulstof og metaller og har potentielle anvendelser som 'grønne' elektroniske materialer. "

Lovley siger, "Det er en fantastisk udvikling, for nu vil feltet udvide sig. Mikrobiologer ved nu, at de kan arbejde med andre mikrober for at undersøge elektrisk ledende filamenter. Vi har fundet en bred vifte af mikrober, der har dette. En interessant ting, vi allerede kan rapportere, er, at nogle af de nye bakterier, vi har identificeret, har filamenter op til 10 nanometer i diameter. Geobacter's filament er meget tyndt, kun tre nanometer i diameter. Til opbygning af elektroniske enheder som nanotrådssensorer, det er meget lettere at manipulere federe ledninger. Det vil også være mere ligetil at belyse de strukturelle træk, der giver ledningsevne med de tykkere ledninger, fordi det er lettere at løse deres struktur. "

Han håber opdagelsen af ​​yderligere elektrisk ledende protein nanotråde vil bidrage til en tiltrængt "grøn, "bæredygtig revolution inden for elektronikproduktion." Vores nuværende system med at bruge betydelig energi og sjældne ressourcer til at producere elektronik, derefter smide dem væk i lossepladser med giftigt affald i udlandet, ikke er bæredygtig, "Lovley siger. Fremstilling af elektroniske biologiske materialer med mikrober kan opnås uden hårde kemikalier og kræver lavere energiindgange, påpeger han. "Og mikroberne spiser billigt. I tilfælde af Geobacter, vi fodrer dem dybest set eddike. "

Lovley og kolleger rapporterer, at "stammer af G. sulfurucener, der producerer høje strømtætheder, som kun er mulige med e-pili, blev opnået med pilin -gener fra Flexistipes sinusarabici, Calditerrivibrio nitroreducens og Desulfurivibrio alkaliphilus. Konduktansen af ​​pili fra disse stammer var sammenlignelig med native G. sulfurreducens e-pili. "

I de seneste år, UMass Amherst mikrobiologer og fysikere, der arbejder med Geobacter-arter, udviklede en hypotese for, hvordan dets e-pili er i stand til at lede elektrisk strøm baseret på tilstedeværelsen af ​​aromatiske aminosyrer i pilin-underenhederne. De har brugt denne egenskab - en høj densitet af aromatiske aminosyrer og mangel på betydelige aromatisk frie huller langs pilinkæder - til at vælge kandidat -pili -gener fra andre mikroorganismer, herunder mange vanskeligt at dyrke mikroorganismer.

Brug af denne teknik "afslører nye kilder til biologisk baserede elektroniske materialer og antyder, at en bred fylogenetisk mangfoldighed af mikroorganismer kan bruge e-pili til ekstracellulær elektronudveksling, "rapporterer de. For at teste og validere deres biologiske screeningsresultater, de tog native pilin -gener ud af Geobacter og erstattede dem med Calditerrivibrio -gener, for eksempel, placerede derefter denne genetisk modificerede organisme i en mikrobiel brændselscelle for at se, om den ville producere elektrisk strøm. I flere tilfælde, de gjorde, Lovley siger.

Lovley opdagede Geobacter, da han blev ansat af U.S. Geological Survey til at gennemføre sit første mikrobiologiprojekt i vandkvalitet i Potomac -floden, især for at forstå, hvilke mikrober der påvirkede algblomstringen fodret med fosfater i flodsedimenter. Han husker, "De fleste forskere, herunder mikrobiologer, troede, at en kemisk reaktion var ansvarlig for jerntransformationerne i mudderet, der frigav tilhørende fosfater som forurening i vandet. Imidlertid, da vi kiggede nærmere på dette, det var klart, at mikroorganismer var involveret, og det førte os til opdagelsen af ​​Geobacter. "

I årenes løb, andre unikke træk ved Geobacter har resulteret i mange "mikrobiologiske førstegang" inden for biogeokemi, bioremediering og vedvarende energi. Lovley siger, "Nu har Geobacter trukket os ind i elektronik. Jeg er spændt på at finde ud af, om disse nye elektrisk ledende protein -nanotråde fra andre bakterier måske fungerer endnu bedre end Geobacter -ledningerne til applikationer som f.eks. Biomedicinske sensorer. Den enkle screeningsmetode beskrevet i vores artikel identificerer gener for ledende ledninger i forskellige mikroorganismer, der kan stole på elektrisk signalering til unikke funktioner af biomedicinsk og miljømæssig betydning. "