Undersøgelse viser, hvordan elektricitetsspisende mikrober bruger elektroner til at reparere kuldioxid

Ny forskning fra Washington University i St. Louis forklarer de cellulære processer, der gør det muligt for en solelskende mikrobe at "spise" elektricitet-overføre elektroner til at reparere kuldioxid for at stimulere dens vækst.

Anført af Arpita Bose, adjunkt i biologi i kunst og videnskab, og Michael Guzman, en ph.d. kandidat i sit laboratorium, et Washington University -team viste, hvordan en naturligt forekommende stamme af Rhodopseudomonas palustris optager elektroner fra ledende stoffer som metaloxider eller rust. Værket er beskrevet i et papir fra 22. marts i tidsskriftet Naturkommunikation .

Undersøgelsen bygger på Boses tidligere opdagelse, at R. palustris TIE-1 kan forbruge elektroner fra rustproxyer som klargjorte elektroder, en proces kaldet ekstracellulær elektronoptagelse. R. palustris er fototrofisk, hvilket betyder, at det bruger energi fra lys til at udføre visse metaboliske processer. Den nye forskning forklarer de cellulære synke, hvor denne mikrobe dumper de elektroner, den spiser fra elektricitet.

"Det viser klart for første gang, hvordan denne aktivitet - organismens evne til at spise elektricitet - er forbundet med kuldioxidfiksering, "sagde Bose, en Packard -stipendiat, der studerer mikrobielle metabolisme og deres indflydelse på biogeokemisk cykling.

Denne mekanistiske viden kan hjælpe med at informere bestræbelser på at udnytte mikrobens naturlige evne til bæredygtig energilagring eller andre bioenergi -applikationer - et potentiale, der har fanget opmærksomheden fra Energiministeriet og Forsvarsministeriet.

" R. palustris stammer kan findes på vilde og eksotiske steder som en rusten bro i Woods Hole, Massachusetts, hvor TIE-1 blev isoleret fra, "Sagde Bose." Virkelig, du kan finde disse organismer overalt. Dette tyder på, at ekstracellulær elektronoptagelse kan være meget almindelig. "

Guzman tilføjede:"Hovedudfordringen er, at det er en anaerobe, så du skal dyrke den i et miljø, der ikke har ilt, for at den kan høste lysenergi. Men bagsiden af ​​det er, at disse udfordringer bliver mødt med en masse alsidighed i denne organisme, som mange andre organismer ikke har. "

I deres nye papir, forskerne viste, at elektronerne fra elektricitet trænger ind i proteiner i membranen, der er vigtige for fotosyntesen. Overraskende, da de slettede mikrobens evne til at reparere kuldioxid, de observerede en 90 procent reduktion i dets evne til at forbruge elektricitet.

"Den vil virkelig reparere kuldioxid ved hjælp af dette system, "Sagde Bose." Hvis du tager det væk - denne medfødte evne - vil det bare slet ikke optage elektroner. "

Hun sagde, at reaktionen på nogle måder ligner et genopladeligt batteri.

"Mikroen bruger elektricitet til at oplade sin redox -pool, lagrer elektronerne og gør det stærkt reduceret, "Sagde Bose." For at aflade det, cellen reducerer kuldioxid. Energien til alt dette kommer fra sollys. Hele processen gentager sig selv, tillader cellen at lave biomolekyler uden andet end elektricitet, kuldioxid og sollys. "

Et team fra hele Washington University overvandt en række tekniske forhindringer for at fuldføre denne undersøgelse. Mark Meacham fra McKelvey School of Engineering var med til at designe og fremstille de mikrofluidiske enheder, der gjorde det muligt for forskerne at finpudse de aktiviteter, der foregik i celler, da bakterierne blev fodret fra elektricitetskilder. Teamet stolede også på støtte fra samarbejdspartnere, herunder David Fike i afdelingen for jord- og planetvidenskab, der hjalp Bose og Guzman med at bruge sekundær ion -massespektrometri til at bestemme, hvordan mikroben bruger kuldioxid.

Den nye forskning besvarer grundlæggende videnskabelige spørgsmål og giver masser af muligheder for fremtidige bioenergi -applikationer.

"I lang tid, mennesker har vidst, at mikrober kan interagere med analoger af elektroder i miljøet - det vil sige, mineraler, der også oplades, "Sagde Guzman." Men ingen satte virkelig pris på, hvordan denne proces også kunne udføres af fotoautotrofer, såsom disse typer organismer, der fikser deres eget kulstof og bruger lys til at lave energi. Denne forskning udfylder et dårligt forstået hul på området. "

Boses laboratorium arbejder på at bruge disse mikrober til at lave bioplast og biobrændstoffer.

"Vi håber, at denne evne til at kombinere elektricitet og lys til at reducere kuldioxid kan bruges til at finde bæredygtige løsninger på energikrisen, "Sagde Bose.