Lys accelererer ledningsevnen i naturens elektriske net

Den naturlige verden besidder sit eget iboende elektriske net, der består af et globalt net af bittesmå bakterie-genererede nanotråde i jorden og oceanerne, der "ånder" ved at udånde overskydende elektroner.

I en ny undersøgelse opdagede forskere fra Yale University, at lys er en overraskende allieret i at fremme denne elektroniske aktivitet i biofilmbakterier. Udsættelse af bakterieproducerede nanotråde for lys, fandt de ud af, gav en op til 100 gange stigning i elektrisk ledningsevne.

Resultaterne blev offentliggjort 7. september i tidsskriftet Nature Communications .

"De dramatiske strømstigninger i nanotråde udsat for lys viser en stabil og robust fotostrøm, der varer ved i timevis," siger seniorforfatter Nikhil Malvankar, lektor i Molecular Biophysics and Biochemistry (MBB) ved Yales Microbial Sciences Institute på Yales vestlige campus.

Resultaterne kunne give ny indsigt, efterhånden som videnskabsmænd søger måder at udnytte denne skjulte elektriske strøm til en række forskellige formål, lige fra at fjerne biofarligt affald og skabe nye vedvarende brændstofkilder.

Næsten alle levende ting indånder ilt for at slippe af med overskydende elektroner, når næringsstoffer omdannes til energi. Uden adgang til ilt har jordbakterier, der lever dybt under havene eller begravet under jorden gennem milliarder af år, imidlertid udviklet en måde at respirere på ved at "ånde mineraler", såsom snorkling, gennem bittesmå proteinfilamenter kaldet nanotråde.

Da bakterier blev udsat for lys, overraskede stigningen i elektrisk strøm forskerne, fordi de fleste af de testede bakterier findes dybt i jorden, langt fra lysets rækkevidde. Tidligere undersøgelser havde vist, at når de blev udsat for lys, voksede nanotråd-producerende bakterier hurtigere.

"Ingen vidste, hvordan det her sker," sagde Malvankar.

I den nye undersøgelse konkluderede et Yale-team ledet af postdoc-forsker Jens Neu og kandidatstuderende Catharine Shipps, at et metalholdigt protein kendt som cytochrom OmcS – som udgør bakterielle nanotråde – fungerer som en naturlig fotoleder:nanotrådene letter i høj grad elektronoverførsel, når biofilm udsættes for lys.

"Det er en helt anden form for fotosyntese," sagde Malvankar. "Her accelerer lyset vejrtrækning af bakterier på grund af hurtig elektronoverførsel mellem nanotråde."

Malvankars laboratorium undersøger, hvordan denne indsigt i bakteriel elektrisk ledningsevne kan bruges til at anspore vækst inden for optoelektronik - et underområde af fotonik, der studerer enheder og systemer, der finder og styrer lys - og opfanger metan, en drivhusgas, der vides at være en væsentlig bidragyder til den globale klimaændringer.

Andre forfattere af papiret er Matthew Guberman-Pfeffer, Cong Shen, Vishok Srikanth, Sibel Ebru Yalcin fra Malvankar Lab på Yale; Jacob Spies, professor Gary Brudvig og professor Victor Batista fra Yale Institut for Kemi; og Nathan Kirchhofer fra Oxford Instruments. + Udforsk yderligere

Skjulte bakteriehår driver naturens 'elektriske net'