Eksperiment og teori forenes endelig i debat om mikrobielle nanotråde

Den videnskabelige debat har været varm på det seneste om, hvorvidt mikrobielle nanotråde, den specialiserede elektriske pili af den mudderboende anaerobe bakterie Geobacter svovlreducens , besidder virkelig metallisk-lignende ledningsevne, som dets opdagere hævder. Men nu University of Massachusetts Amherst mikrobiolog Derek Lovley, med postdoc-forsker Nikhil Malvankar og kolleger, siger, at de har afgjort striden mellem teoretiske og eksperimentelle videnskabsmænd ved at udtænke en kombination af nye eksperimenter og bedre teoretisk modellering.

I en række papirer, der går tilbage til 2011, Lovleys gruppe leverede flere linjer af eksperimentelle beviser på det Geobacter pili leder elektroner gennem den tætte interaktion af aromatiske aminosyrer i proteinfilamentstrukturen. Som Malvankar forklarer, "Elektroner flyder som de gør i en kobbertråd, deraf udtrykket metallisk-lignende ledningsevne." i de sidste to år har mange grupper af teoretiske modelbyggere offentliggjort artikler, der konkluderer, at Lovley og Malvankars resultater er umulige.

Men, siger Lovley, "Efter min mening, eksperimentelle data overtrumfer modellering. Som den afdøde fysiker Richard Feynman sagde, 'Det er lige meget, hvor smuk din teori er, det er lige meget hvor smart du er. Hvis det ikke stemmer overens med eksperimentet, det er forkert.'"

På jagt efter endnu flere eksperimentelle data, Malvankar rejste til Brookhaven National Laboratory i to år for yderligere at evaluere strukturen af Geobacter pili med sofistikerede tilgange, herunder synkrotron røntgen-mikrodiffraktion og rocking-curve-røntgendiffraktion. Han fandt en periodisk 3,2-angstrøm mellemrum af aromatiske aminosyrer i Geobacter pili, langt tættere sammen end de teoretiske modeller forudsagde. Resultaterne vises i det aktuelle nummer af tidsskriftet mBio .

Dejlig siger, "I Nikhils eksperimenter, vi ser en tydelig signatur på den tætte pakning af de aromatiske aminosyrer. Ikke-ledende pili mangler dette. Også, da Nikhil forsurede pili, der var en stigning i fyldningen af ​​aromaterne i forhold til en stigning i deres ledningsevne. Disse resultater er i overensstemmelse med vores koncept for metallisk-lignende ledningsevne i pili. Ingen af ​​de modeller, der afviste vores hypotese, var i overensstemmelse med disse resultater."

For bedre at forstå manglen på overensstemmelse mellem eksperimenterne og modellerne, Malvankar slog sig sammen med Eric Martz, UMass Amherst emeritus professor og proteinmodelleringsekspert. De fandt ud af, at en simpel antagelse i opbygningen af ​​pili-modellen ændrede resultatet dramatisk. Malvankar forklarer, "Tidligere modeller startede med en skabelon af strukturen for Neisseria gonorrhoeae pili. Geobacter pili er faktisk nærmere beslægtet med de af Pseudomonas aeruginosa . Vores model er baseret på Pseudomonas ."

Malvankars model forudsiger tæt pakning af aromatiske aminosyrer i overensstemmelse med deres eksperimentelle resultater og hypotesen om, at Geobacter pili har metallisk-lignende ledningsevne.

Martz advarer, "Vi påstår ikke, at vores model er 100 procent korrekt. Faktisk, det er vi sikre på, at det ikke er. Men de andre modeller kan simpelthen ikke forklare de eksperimentelle resultater. Vores gør. Også, ledningsevnen kommer fra et protein. Forskere har altid sagt, at proteiner ikke kan udføre denne funktion. Vi fandt ud af, at de ikke kun gør det, men de gør det også godt. Dette er grundlæggende et så interessant fund, at forskerne bliver nødt til at være opmærksomme."

Denne opdagelse, støttet af finansiering fra U.S. Office of Naval Research, forventes at hjælpe med at udvikle andre bakterier til at producere mikrobielle nanotråde med syntetiske biologiske metoder. For eksempel, Lovleys laboratorium har opfundet en kunstig form for fotosyntese, hvor mikrober bruger vedvarende elektricitet til at omdanne kuldioxid til brændstoffer og andre organiske kemikalier. Han siger, "Jo bedre vi forstår, hvordan mikrobielle nanotråde fungerer, jo bedre er vores chancer for at optimere elektrode-mikrobe-elektronudvekslingen."

Malvankar tilføjer, "Der er også mulighed for at udnytte de grundlæggende designprincipper, som naturen lærer os at producere nye elektroniske materialer på en bæredygtig måde." I naturen, Geobacter use their microbial nanowires to breathe; they transfer electrons onto iron oxides, natural rust-like minerals in soil, which serve the same function for these bacteria that oxygen does in humans. "What Geobacter can do with its nanowires is akin to breathing through a snorkel that's 10 kilometers long, " han siger.

Others in Lovley's group have shown that Geobacter uses microbial nanowires to electrically communicate with other microbial species. This cooperative electron sharing is important in the conversion of organic wastes to methane, an effective bioenergy strategy. Nanowires are also key components of ongoing studies by Lovley's lab to build biocomputers and novel biosensors. The UMass Amherst team is now working on a "pili factory" to make purified Geobacter pili freely available to other researchers, to repeat these experiments or carry out other studies.