Billeddannelse af elektrisk ladning, der forplanter sig langs mikrobielle nanotråde

Påstanden fra mikrobiolog Derek Lovley og kolleger ved University of Massachusetts Amherst, at mikroben Geobacter producerer bittesmå elektriske ledninger, kaldet mikrobielle nanotråde, har været fast i kontroverser i et årti, men forskerne siger, at en ny kollaborativ undersøgelse giver stærkere beviser end nogensinde for at understøtte deres påstande.

UMass Amherst fysikere, der arbejder med Lovley og kolleger rapporterer i det aktuelle nummer af Natur nanoteknologi at de har brugt en ny billedbehandlingsteknik, elektrostatisk kraftmikroskopi (EFM), at løse den biologiske debat med beviser fra fysik, viser, at elektriske ladninger faktisk forplanter sig langs mikrobielle nanotråde, ligesom de gør i kulstofnanorør, et stærkt ledende menneskeskabt materiale.

Fysikerne Nikhil Malvankar og Sibel Ebru Yalcin, med fysikprofessor Mark Tuominen, bekræftede opdagelsen ved hjælp af EFM, en teknik, der kan vise, hvordan elektroner bevæger sig gennem materialer. "Da vi injicerede elektroner på ét sted i de mikrobielle nanotråde, hele glødetråden lyste op, da elektronerne forplantede sig gennem nanotråden, " siger Malvankar.

Yalcin, nu på Pacific Northwest National Lab, tilføjer, "Dette er den samme reaktion, som du ville se i et kulstof-nanorør eller andre stærkt ledende syntetiske nanofilamenter. Selv ladningstæthederne er sammenlignelige. Det er første gang, at EFM er blevet anvendt på biologiske proteiner. Det giver mange nye muligheder inden for biologi. "

Lovley siger, at den elektriske strøms evne til at strømme gennem mikrobielle nanotråde har vigtige miljømæssige og praktiske konsekvenser. "Mikrobielle arter kommunikerer elektrisk gennem disse ledninger, energideling i vigtige processer såsom omdannelse af affald til metangas. Nanotrådene tillader Geobacter at leve af jern og andre metaller i jorden, ændrer jordens kemi markant og spiller en vigtig rolle i miljøoprensningen. Mikrobielle nanotråde er også nøglekomponenter i Geobacters evne til at producere elektricitet, en ny kapacitet, der bliver tilpasset til at konstruere mikrobielle sensorer og biologiske computerenheder."

Han erkender, at der har været betydelig skepsis over, at Geobacters nanotråde, som er proteinfilamenter, kunne lede elektroner som en ledning, et fænomen kendt som metallisk-lignende ledningsevne. "Skepsis er godt i videnskaben, det får dig til at arbejde hårdere for at vurdere, om det, du foreslår, er korrekt, " Lovley påpeger. "Det er altid nemmere at forstå noget, hvis du kan se det. Drs. Malvankar og Yalcin fandt på en måde at visualisere ladningsudbredelse langs nanotrådene, som er så elegant, at selv en biolog som mig nemt kan forstå mekanismen."

Biologer har i årevis vidst, at i biologiske materialer, elektroner bevæger sig typisk ved at hoppe langs adskilte biokemiske trædesten, der kan holde de enkelte elektroner. Derimod, elektroner i mikrobielle nanotråde delokaliseres, ikke forbundet med kun ét molekyle. Dette er kendt som metallisk-lignende ledningsevne, fordi elektronerne ledes på en måde, der ligner en kobbertråd.

Malvankar, som leverede det første bevis for den metallisk-lignende ledningsevne af de mikrobielle nanotråde i Lovley og Tuominens laboratorier i 2011, siger, "Metallisk-lignende ledningsevne af de mikrobielle nanotråde syntes klart fra, hvordan den ændrede sig med forskellige temperaturer eller pH, men der var stadig mange tvivlere, især blandt biologer."

For at tilføje mere støtte til deres hypotese, Lovleys laboratorium ændrede genetisk strukturen af ​​nanotrådene, fjernelse af de aromatiske aminosyrer, der giver de delokaliserede elektroner, der er nødvendige for metallisk-lignende ledningsevne, vinde over flere skeptikere. Men EFM sørger for finalen, nøglebevis, siger Malvankar.

"Vores billeddannelse viser, at ladninger flyder langs de mikrobielle nanotråde, selvom de er proteiner, stadig i deres oprindelige tilstand knyttet til cellerne. At se er at tro. At kunne visualisere ladningsudbredelsen i nanotrådene på molekylært niveau er meget tilfredsstillende. Jeg forventer, at denne teknik vil have en særlig vigtig fremtidig indvirkning på de mange områder, hvor fysik og biologi krydser hinanden." tilføjer han.

Tuominen siger, "Denne opdagelse fremsætter ikke kun et vigtigt nyt princip inden for biologi, men også inden for materialevidenskab. Naturlige aminosyrer, når det er korrekt arrangeret, kan udbrede ladninger svarende til molekylære ledere såsom kulstofnanorør. Det åbner spændende muligheder for proteinbaseret nanoelektronik, som ikke var muligt før."

Lovley og kollegers mikrobielle nanotråde er en potentiel "grøn" elektronikkomponent, lavet af vedvarende, ikke-giftige materialer. De repræsenterer også en ny del i det voksende område af syntetisk biologi, han siger. "Nu hvor vi bedre forstår, hvordan nanotrådene fungerer, og har vist, at de kan manipuleres genetisk, konstruktion af 'elektriske mikrober' til en mangfoldighed af applikationer synes muligt."

En applikation, der i øjeblikket udvikles, er at gøre Geobacter til elektroniske sensorer til at opdage miljøforurenende stoffer. En anden er Geobacter-baserede mikrobiologiske computere. Dette arbejde blev støttet af Office of Naval Research, det amerikanske energiministerium og National Science Foundation.