Микробиологи во главе с Дереком Ловли из Массачусетского университета в Амхерсте, всемирно известным открытием электропроводящих микрофиламентов или «нанопроводов» в бактериях Geobacter, объявляют в новой статье в этом месяце, что они обнаружили неожиданные структуры. у многих других видов, что значительно расширило область исследований электропроводящих нитей. Подробности опубликованы в Интернете в журнале International Society of Microbial Ecology Journal.
Ловли, опубликовавший свою первую статью с описанием Geobacter 30 лет назад, объясняет: «Geobacter развили эти специальные нити с очень короткой базовой субъединицей, называемой пилин, которые собираются в длинные цепи, напоминающие скрученную веревку. Большинство бактерий имеют базовую субъединицу, которая в два-три раза длиннее. Наличие электропроводящих пили или е-пилей является недавним эволюционным событием у Geobacter, поэтому рабочая гипотеза заключалась в том, что эта способность будет обнаружена только у его близких родственников».
Он добавляет: «Для нас это было неожиданностью, и я думаю, что многие люди будут удивлены, узнав, что представление о том, что микробам нужна короткая пилиновая субъединица для образования э-пилей, ошибочно. более крупные пилины также могут давать e-pili, и что способность экспрессировать e-pili неоднократно возникала независимо друг от друга в эволюции различных микробных групп. Он и его соавторы добавляют, что «электронные пили могут играть важную роль в биогеохимическом круговороте углерода и металлов и иметь потенциальное применение в качестве «зеленых» электронных материалов».
Ловли говорит: «Это большое достижение, потому что теперь поле деятельности расширится. Теперь микробиологи знают, что они могут работать с другими микробами для исследования электропроводящих нитей. Мы уже можем сообщить об одном интересном факте: некоторые из обнаруженных нами новых бактерий имеют нити диаметром до 10 нанометров. Нити Geobacter очень тонкие, всего три нанометра в диаметре. намного проще манипулировать более толстыми проводами. Также будет проще выяснить структурные особенности, которые придают проводимость более толстым проводам, потому что легче решить их структуру».
Он надеется, что открытие дополнительных электропроводящих белковых нанопроводов будет способствовать столь необходимой «зеленой» устойчивой революции в производстве электроники.«Наша нынешняя система использования значительной энергии и редких ресурсов для производства электроники, а затем выбрасывания их на свалки токсичных отходов за границей, не является устойчивой», - говорит Ловли. Он отмечает, что производство электронных биологических материалов с помощью микробов может быть достигнуто без агрессивных химикатов и требует меньших затрат энергии. «И микробы едят дешево. В случае с Geobacter мы в основном кормим их уксусом».
Ловли и его коллеги сообщают, что «штаммы G. sulphurreducens, продуцирующие высокие плотности тока, которые возможны только при использовании e-пилей, были получены с генами пилина из Flexistipes sinusarabici, Calditerrivibrio nitroreducens и Desulfurivibrio щелочифилус. Проводимость пилей из эти штаммы были сопоставимы с нативным G. Sulfurereducens e-pili."
В последние годы микробиологи и физики Университета Массачусетса в Амхерсте, работающие с видами Geobacter, разработали гипотезу о том, как их электронные пили способны проводить электрический ток, на основе присутствия ароматических аминокислот в пилиновых субъединицах. Они использовали эту характеристику - высокую плотность ароматических аминокислот и отсутствие существенных свободных от ароматических соединений промежутков вдоль цепей пилина - для отбора генов-кандидатов пили из других микроорганизмов, включая многие трудно культивируемые микроорганизмы.
Использование этой техники «открывает новые источники электронных материалов на биологической основе и предполагает, что широкое филогенетическое разнообразие микроорганизмов может использовать e-pili для внеклеточного электронного обмена», сообщают они. Чтобы проверить и подтвердить результаты своего биологического скрининга, они взяли нативные гены пилина из Geobacter и заменили их, например, генами Calditerrivibrio, а затем поместили этот генетически модифицированный организм в микробный топливный элемент, чтобы посмотреть, будет ли он производить электрический ток. В некоторых случаях они это сделали, говорит Ловли.
Ловли обнаружил Geobacter, когда он был нанят Геологической службой США для проведения своего первого микробиологического проекта по изучению качества воды в реке Потомак, в частности, чтобы понять, какие микробы влияют на цветение водорослей, питаемых фосфатами в речных отложениях. Он вспоминает: «Большинство ученых, включая микробиологов, считали, что химическая реакция была ответственна за превращение железа в иле, которое высвобождало связанные фосфаты в виде загрязнения в воду. и это привело нас к открытию Geobacter».
За прошедшие годы другие уникальные особенности Geobacter привели к появлению многих «микробиологических достижений» в области биогеохимии, биоремедиации и возобновляемых источников энергии. Ловли говорит: «Теперь Geobacter вовлекла нас в электронику. Я очень рад узнать, могут ли эти новые электропроводящие белковые нанопроволоки из других бактерий работать даже лучше, чем проволока Geobacter, для таких приложений, как биомедицинские датчики. Простой метод скрининга, описанный в нашем статья идентифицирует гены проводящих проводов в различных микроорганизмах, которые могут полагаться на электрические сигналы для уникальных функций биомедицинского и экологического значения."