Bakterielle nanotråde:Ikke hvad vi troede de var

I de sidste 10 år har forskere har været fascineret af en type "elektriske bakterier", der skyder lange slynger ud som elektriske ledninger, bruge dem til at drive sig selv og overføre elektricitet til en række faste overflader.

I dag, et hold ledet af forskere ved USC har vendt undersøgelsen af ​​disse bakterielle nanotråde på hovedet, opdager, at de pågældende nøgletræk ikke er pili, som tidligere antaget, men snarere er forlængelser af bakteriens ydre membran udstyret med proteiner, der overfører elektroner, kaldet "cytokromer".

Forskere havde længe haft mistanke om, at bakterielle nanotråde var pili - latin for "hår" - som er hårlignende træk, der er almindelige på andre bakterier, tillader dem at klæbe til overflader og endda forbinde hinanden. I betragtning af ligheden i form, det var let at tro, at nanotråde var pili. Men Moh El-Naggar, adjunkt ved USC Dornsife College of Letters, Kunst og videnskab, siger, at han altid var omhyggelig med at undgå at sige, at han med sikkerhed vidste, at det var det, de var.

"Pili -ideen var den stærkeste hypotese, men vi var altid forsigtige, fordi den nøjagtige sammensætning og struktur var meget uhåndgribelig. Så løste vi de eksperimentelle udfordringer, og de hårde data tog os i en helt anden retning. Jeg har aldrig været gladere for at tage fejl. På mange måder, det viste sig at være en endnu smartere måde for bakterier at drive sig selv på, "sagde El-Naggar, tilsvarende forfatter til undersøgelsen, der blev udnævnt til en Popular Science Brilliant 10 -forsker i 2012 for sit banebrydende arbejde med bakterielle nanotråde.

Denne seneste undersøgelse vil blive offentliggjort online af Proceedings of the National Academy of Sciences den 18. august.

Forskere fra USC samarbejdede med kolleger fra Penn State, University of Wisconsin-Milwaukee, Pacific Northwest National Laboratory, og Rensselaer Polytekniske Institut om forskningen.

Det første spor kom fra sporing af bakteriernes gener. Under dannelsen af ​​nanotråde, forskere bemærkede en stigning i ekspressionen af ​​elektrontransportgener, men ingen tilsvarende stigning i ekspressionen af ​​pilingener.

Udfordret af dette bevis på, hvad nanotråde ikke var, holdet skulle derefter finde ud af, hvad de egentlig var. El-Naggar krediterer Sahand Pirbadian, USC kandidatstuderende, med at udtænke en genial, men simpel strategi for at gøre opdagelsen.

Ved at fratage bakterierne ilt, forskerne var i stand til at tvinge bakterierne til at strække deres nanotråde ud på kommando, gør det muligt at observere processen i realtid. Og ved at farve bakteriemembranen, periplasma, cytoplasma, og specifikke proteiner, forskere var i stand til at tage video af nanotråde, der nåede ud - bekræfter, at de var baseret på membran, og slet ikke pili.

Processen er ikke så enkel, som den lyder. Generering af videoer af nanotrådene, der strækker sig ud, krævede nye metoder til samtidig at mærke flere funktioner, holde et kamera fokuseret på de vridende bakterier, og kombinere de optiske teknikker med atomkraftmikroskopi for at opnå højere opløsning.

"Det tog os omkring et år bare at udvikle det eksperimentelle set-up og finde ud af de rigtige forhold for bakterierne til at producere nanotråde, "Sagde Pirbadian." Vi var nødt til at gå tilbage og undersøge nogle ældre eksperimenter igen og genoverveje, hvad vi vidste om organismen. Når vi var i stand til at fremkalde nanotrådvækst, vi begyndte at analysere deres sammensætning og struktur, som tog endnu et års arbejde. Men det var umagen værd, for resultatet var meget overraskende - men i eftertid gav det meget mening. "

At forstå, hvordan disse elektriske bakterier fungerer, har anvendelser langt ud over laboratoriet. Sådanne skabninger har potentiale til at løse nogle af de store spørgsmål om selve livets natur, herunder hvilke typer livsformer vi kan finde i ekstreme miljøer, som plads. Ud over, denne forskning har potentialet til at informere om skabelsen af ​​levende, mikrobielle kredsløb - danner grundlaget for hybride biologisk-syntetiske elektroniske enheder.

Denne forskning blev finansieret af USC af US Department of Energy and Air Force Office of Scientific Research og muliggjort af faciliteter ved USC Centres of Excellence in NanoBioPhysics og Electron Microsopy and Microanalysis.