Forskere visualiserer bakteriemotoren i første skridt mod menneskeskabt elektrisk energi

mennesker, en dag, kan være i stand til at producere deres egen elektrisk energi på samme måde som elektriske ål gør, ifølge et forskerhold baseret i Japan. Det er det ultimative mål, der begynder med at forstå præcis, hvordan små "motorer" inde i bakterier opretholder den biologiske balance.

Forskerne fokuserede specifikt på en rotationsmotor kaldet V1, der fungerer som en del af en pumpe, der flytter natriumioner over membranen som en del af sunde cellulære processer. De offentliggjorde deres resultater i Journal of Biological Chemistry online den 13. september og i den trykte udgave den 8. november.

"Energikonverteringseffektiviteten for roterende molekylære motorer er meget højere end den for menneskeskabte motorer, " sagde Ryota Iino, papirforfatter og forsker ved Institut for Molekylær Videnskab ved National Institutes of Natural Sciences og Institut for Funktionel Molekylær Videnskab på School of Physical Sciences ved Graduate University for Advanced Studies. "Og energiomdannelse ved hjælp af roterende molekylære motorer er reversibel. Hvis vi helt forstår mekanismen, det vil føre til realisering af meget effektive, menneskeskabte motorer i fremtiden."

For at forstå mekanismen, forskerne brugte en guld nanopartikelsonde til direkte at observere enkelte molekyler renset fra bakterier - Enterococcus hirae, som kan forårsage sepsis hos mennesker. Ved at afbilde et enkelt molekyle i høj opløsning, forskerne kunne observere dens adfærd over tid og bestemme, hvordan motoren roterede for forskellige sektioner for at interagere med forskellige input. Meget ligesom en brøndpumpe, som en person skal skrue for at få vandet til at strømme opad, mod tyngdekraften, den observerede molekylære pumpe skal tage noget input af energi for at generere mere energi til at transportere ioner mod gradienten af ​​bakteriemembranen. Den energi, mennesket putter i håndpumpen, er begrænset, men interaktionen er tung, sammenlignet med den mængde energi, der skal til for vandet at strømme opad.

"Vi startede med at arbejde på at forstå, hvordan kemisk energi omdannes til den mekaniske rotation af V1-motoren, " sagde Iino. "Vi fandt ud af, at mens de tredimensionelle strukturer af V1 og relaterede roterende motorer ligner hinanden, deres kemiske og mekaniske koblingsmekanismer er meget forskellige, tyder på, at cellulære funktioner dikterede udviklingen af ​​forskellige funktionelle mekanismer."

Med denne undersøgelse, forskerne har en bedre forståelse af, hvordan V1-motoren danner et kompleks med en anden roterende motor kaldet Vo for aktivt at pumpe natriumioner hen over cellemembranen. Med andre ord, motorkomplekset bruger kemisk energi fra cellen til mekanisk at rotere og omdanne energien til elektrokemisk potentiale - ligesom et menneske bruger energi opnået fra mad til at drive en brøndpumpe, resulterer i den genererede energi fra vandstrømmen.

"Næste, vi vil gerne forstå præcis, hvordan energiomdannelsesmekanismen i motorkomplekset fungerer, " sagde Iino.

Ifølge Iino, elektriske ål genererer elektrisk energi fra kemisk energi med en mekanisme svarende til motorkomplekset i denne undersøgelse.

"Hvis vi fuldt ud kan forstå denne mekanisme, det kan være muligt at udvikle et batteri, der er i stand til at omdanne energi til implantation i en kunstig elektrisk ål eller endda i et menneske, " sagde Iino.