Dansul molecular prin care o singură bacterie transferă electroni

Proteinele din nanofirele bacteriene se ciocnesc între ele, schimbând electroni și transmițându-i de-a lungul nanofirelor. Credit: Yekaterina Kadyshevskaya

Imaginați-vă că doriți să conectați un aparat la o priză de perete, dar nu aveți un cablu care merge până la capăt. În schimb, tot ce aveai erau bucăți scurte de sârmă care, puse împreună, nu erau suficiente pentru a acoperi distanța dintre dispozitiv și perete. Să presupunem că le-ați întins astfel încât să nu se atingă, ci ați trasat o linie punctată care se extinde pe toată distanța. Cum ați depăși golurile dintre clipuri pentru a menține curentul electric?

Potrivit omului de știință Moh El-Naggar, este o enigmă cu care se confruntă specia de bacterie Shewanella oneidensis pentru însăși existența sa. El și echipa sa de la Colegiul de Litere, Arte și Științe USC Dornsife cred că au descoperit cum au rezolvat bacteriile.

Aceste organisme unicelulare sunt cunoscute sub denumirea de „bacterii electrice”, deoarece transferul de electroni din interiorul celulelor lor către suprafețele exterioare unde trăiesc, cum ar fi rocile adânci sub suprafața Pământului, este fundamental pentru supraviețuirea lor. Similar cu modul în care oamenii transferă electroni la oxigenul inhalat în plămâni, bacteriile trebuie să treacă electroni în lumea exterioară pentru a „respira”.

În ultimul deceniu, El-Naggar și echipa sa interdisciplinară au studiat modul în care bacteriile sunt capabile să ajungă în mediul lor extern și să își asume sarcina de a circula pe distanțe lungi – cel puțin „lungi” pentru microbii a căror lungime este de o sută de ori mai mică decât lățimea unui păr uman.

Articolul lor, publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), este primul care dezvăluie „dansul molecular” care permite bacteriilor să efectueze această lucrare electronică fără un „fir” continuu.

Un moment de bec

El-Naggar a devenit mai întâi interesat de studiul bacteriilor electrice datorită potențialului de a-și valorifica puterea pentru tehnologii noi și durabile. Captarea electronilor din bacterii pe electrozi este baza tehnologiilor emergente, cum ar fi celulele de combustibil microbiene care generează energie curată.

Dezvoltarea și rafinarea acestor aplicații sofisticate „se rezumă la înțelegerea fizicii de bază a modului în care electronii se mișcă prin celule”, spune El-Naggar, profesor de fizică și astronomie al Deanului și profesor de fizică, astronomie și chimie.

Într-un studiu anterior publicat de PNAS În 2018, el și echipa sa au arătat că proteinele mici care conțin fier numite citocromi transportă electroni pe suprafața celulelor și de-a lungul extensiilor membranei celulare numite nanofire bacteriene. Dar pentru ca aceste proteine ​​să treacă electroni între ele, trebuie să fie destul de aproape una de alta, ceea ce echipa a descoperit că nu este întotdeauna cazul. Acest lucru a ridicat întrebarea: cum ar curge electricitatea între proteinele care, la fel ca bucățile de sârmă din analogia prizei, nu sunt în contact direct?

El-Naggar a emis ipoteza că proteinele se pot mișca suficient pentru a se ciocni între ele și pentru a transfera electroni, dar pentru a confirma această presupunere ar fi nevoie să vedem traiectoriile acestor molecule microscopice în timp real, ceea ce nu s-a făcut niciodată înainte.

Vorbind la Retragerea de biologie moleculară și computațională a USC Dornsife în 2017, El-Naggar a pus colegilor săi întrebarea cum să observe proteinele minuscule, cu ochii pe un coleg în special: Fabien Pinaud, profesor asociat de științe biologice și fizice și astronomie, al cărui laborator are experiență în imagistica unor molecule individuale.

„Am spus: „Nu ar fi frumos dacă ne-am putea imagina acest… indiciu, indiciu? și l-am privit pe Fabien drept în ochi”, spune El-Naggar. Pinaud a luat momeala și a sugerat echipei lui El-Naggar să găsească o modalitate de a atașa punctele cuantice – care sunt cristale care emit lumină la microscop, precum becurile în miniatură – la proteine ​​individuale. „Acea perspectivă pe care a oferit-o acolo a permis întregul proiect”, spune El-Naggar.

Productie de filme microscopice

Cercetătoarea postdoctorală Grace Chong ’21, care atunci era studentă la doctorat în biologie moleculară și informatică în laboratorul lui El-Naggar, a venit cu ceea ce El-Naggar numește o soluție ingenioasă pentru legarea punctelor cuantice. Ea a conceput unele dintre proteine ​​pentru a exprima o etichetă care le face să se lege de puncte, ca o priză de un bec.

Chong a văzut celulele modificate la microscopul puternic din laboratorul lui Pinaud. Ea a folosit software-ul lor de urmărire a unei singure particule pentru a identifica poziția punctelor cuantice – care strălucesc roșu atunci când un laser strălucește asupra lor – în momente diferite și să urmărească urma fiecărei proteine.

Pentru El-Naggar, „filmele” time-lapse pe care Chong le-a filmat cu aceste puncte roșii care traversează suprafața membranei celulare și nanofirele bacteriene sunt un cinema incredibil.

„Este un lucru destul de uimitor”, spune el. „A fost cu adevărat un privilegiu să putem urmări acest proces derularea la limita absolută a ceea ce putem observa, care este mișcarea unei molecule individuale din multe milioane pe care celulele le afișează la un moment dat.”

Dansul proteinelor surprins în filme a confirmat ipoteza originală a lui El-Naggar. „Pentru prima dată”, a spus Chong, „putem vedea asta [the proteins are] se deplasează, se ciocnesc, se suprapun și creează o cale pentru transportul electronilor pe distanță lungă de-a lungul celulelor și nanofirelor membranare.”

Declanșator electric

Folosind datele culese de Chong, echipa lui El-Naggar a efectuat simulări pentru a calcula viteza cu care electronii călătoresc de-a lungul suprafeței unei celule sau a unui nanofir membranar. Această rată are implicații importante pentru dezvoltarea noilor tehnologii care încorporează bacterii electrice, deoarece arată sarcina maximă pe care o pot transmite.

El-Naggar observă că în ultimii ani a devenit entuziasmat să construiască electronice „vii”, cum ar fi senzori bazați pe bacterii care funcționează în interiorul corpului uman sau detectează contaminarea mediului.

„La ce mă gândesc cu adevărat sunt aplicațiile viitoare care combină tot ce este mai bun din lumea abiotică – lumea metalelor și semiconductorilor – cu ceea ce excelează biologia”, spune el, adăugând că așa cum demonstrează bacteriile prin mișcarea electronilor pentru a-și îndeplini. nevoi de energie cu mult mai puțin „fir” decât s-ar putea aștepta, „biologia este foarte eficientă în a fi eficientă”.


Bacteriile care respiră stâncile sunt doctori în spinul electronilor, arată studiul


Mai multe informatii:
Grace W. Chong și colab., Urmărirea cu o singură moleculă a citocromilor de suprafață a celulelor bacteriene dezvăluie dinamica care influențează transportul de electroni pe distanță lungă, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2119964119

Furnizat de Universitatea din California de Sud

Citat: Dans molecular prin care o bacterie unică transferă electroni (2 iunie 2022) Preluat la 2 iunie 2022 de la https://phys.org/news/2022-06-molecular-unique-bacterium-electrons.html

Acest document este supus dreptului de autor. Cu excepția utilizării loiale în scopuri de studiu sau cercetare privată, nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este oferit doar cu titlu informativ.

Add Comment