Mikrobielt hår - dets elektriske:Specialiserede bakteriefilamenter vist at lede elektricitet

(PhysOrg.com) - Nogle bakterier vokser elektrisk hår, der lader dem koble sig sammen i store biologiske kredsløb, ifølge en biofysiker fra University of Southern California og hans samarbejdspartnere.

Fundet tyder på, at mikrobielle kolonier kan overleve, kommunikere og dele energi delvist gennem elektrisk ledende hår kendt som bakterielle nanotråde.

"Dette er den første måling af elektrontransport langs biologiske nanotråde produceret af bakterier, "sagde Mohamed El-Naggar, adjunkt i fysik og astronomi ved USC College of Letters, Kunst og videnskab.

El-Naggar var hovedforfatter til en undersøgelse, der blev vist online i næste uge i Procedurer fra National Academy of Sciences.

At vide, hvordan mikrobielle samfund trives, er det første trin i at finde måder at ødelægge skadelige kolonier, såsom biofilm på tænder. Biofilm har vist sig at være meget resistent over for antibiotika.

Den samme viden kunne bidrage til at fremme nyttige kolonier, såsom dem i bakterielle brændselsceller under udvikling på USC og andre institutioner.

"Elektronstrømmen i forskellige retninger er tæt knyttet til metabolisk status for forskellige dele af biofilmen, "El-Naggar sagde." Bakterielle nanotråde kan give de nødvendige forbindelser ... for at overleve et mikrobielt kredsløb. "

En bakteriel nanotråd ligner et langt hår, der stikker ud af en mikrobes krop. Ligesom menneskehår, den består mest af protein.

For at teste ledningsevnen for nanotråde, forskerne voksede kulturer af Shewanella oneidensis MR-1, en mikrobe, der tidligere blev opdaget af medforfatter Kenneth Nealson, Wrigley professor i geobiologi ved USC College.

Shewanella har en tendens til at lave nanotråde i tider med knaphed. Ved at manipulere vækstbetingelser, forskerne producerede bakterier med rigelige nanotråde.

Bakterierne blev derefter deponeret på en overflade, der var oversået med mikroskopiske elektroder. Da en nanotråd faldt over to elektroder, det lukkede kredsløbet, muliggør en strøm af målbar strøm. Ledningsevnen lignede den for en halvleder - beskeden, men signifikant.

Da forskerne skar nanotråden, strømmen af ​​strøm stoppede.

Tidligere undersøgelser viste, at elektroner kunne bevæge sig hen over en nanotråd, hvilket ikke beviste, at nanotråde førte elektroner langs deres længde.

El-Naggars gruppe er den første til at udføre dette teknisk vanskelige, men mere sigende eksperiment.

Elektricitet på nanotråde kan være en livline. Bakterier puster ved at miste elektroner til en acceptor - for Shewanella, et metal såsom jern. (Åndedrættet er et særligt tilfælde:Mennesker ånder ved at opgive elektroner til ilt, en af ​​de mest kraftfulde elektronacceptorer.)

Nealson sagde om Shewanella:"Hvis du ikke giver det en elektronacceptor, den dør. Det dør ret hurtigt. "

I nogle tilfælde, en nanotråd kan være en mikrobes eneste middel til at dumpe elektroner.

Når en elektronacceptor er knap i nærheden, nanotråde kan hjælpe bakterier med at støtte hinanden og udvide deres kollektive rækkevidde til fjerne kilder.

Forskerne bemærkede, at Shewanella knytter sig til elektronacceptorer såvel som til hinanden, danner en koloni, hvor hvert medlem skal kunne ånde ud gennem en kæde af nanotråde.

"Dette ville dybest set være et fællesskabsrespons på overførsel af elektroner, "Forklarede El-Naggar." Det ville være en form for kooperativ vejrtrækning. "

El-Naggar og hans team er blandt pionererne i en ung disciplin. Udtrykket "bakteriel nanotråd" blev opfundet i 2006. Færre end 10 undersøgelser om emnet er blevet offentliggjort, ifølge medforfatter Yuri Gorby fra The J. Craig Venter Institute i San Diego, opdager af nanotråde i Shewanella.

Gorby og andre blev interesserede i nanotråde, da de bemærkede, at der syntes at forekomme reduktion af metaller omkring filamenterne. Da reduktion kræver overførsel af elektroner til et metal, forskerne mistænkte, at filamenterne bar en strøm.

Nanotråde er også blevet foreslået som ledende veje i flere forskellige mikrober.

"Den nuværende hypotese er, at bakterielle nanotråde faktisk er udbredt i den mikrobielle verden, "Sagde El-Naggar.

Nogle har antydet, at nanotråde kan hjælpe bakterier med at kommunikere og ånde.

Bakteriekolonier vides at dele information gennem den langsomme spredning af signalmolekyler. Nealson hævdede, at elektrontransport over nanotråde ville være hurtigere og at foretrække for bakterier.

"Du vil have telegrafen, du vil ikke have røgsignaler, " han sagde.

Bakteriers fælles overlevelsesstrategi kan indeholde lektioner for højere livsformer.

I en op-ed, der blev offentliggjort i Wired i 2009, Gorby skrev:"At forstå strategierne for effektiv energifordeling og kommunikation i de ældste organismer på planeten kan tjene som nyttige analogier til bæredygtighed inden for vores egen art."