Biologische Drähte transportieren Elektrizität dank spezieller Aminosäuren

Biologische Drähte transportieren Elektrizität dank spezieller Aminosäuren

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Anonim

von der American Society for Microbiology

Geobacter sulfurreducens leitet Strom sehr effektiv entlang metallischer Pili, die von Entdeckern bei UMass Amherst als "mikrobielle Nanodrähte" bezeichnet wurden. Sie haben kürzlich den Einfluss dieser Leitfähigkeit auf die Biologie des Bakteriums bestimmt und in ihren früheren Arbeiten die Annahme bestätigt, dass eine echte metallähnliche Leitfähigkeit stattfindet.

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Schlanke bakterielle Nanodrähte benötigen bestimmte Schlüsselaminosäuren, um Strom zu leiten. Dies geht aus einer Studie hervor , die am Dienstag, 12. März, in mBio , dem Online-Open-Access-Journal der American Society for Microbiology, veröffentlicht wird.

In der Natur nutzt das Bakterium Geobacter sulfurreducens diese Nanodrähte, Pili genannt, um Elektronen zu entfernten Eisenpartikeln oder anderen Mikroben zu transportieren. Die Vorteile dieser Drähte können jedoch auch von Menschen für die Verwendung in Brennstoffzellen oder in der Bioelektronik genutzt werden. Die Studie in mBio zeigt, dass ein Kern aromatischer Aminosäuren erforderlich ist, um diese haarähnlichen Anhänge in funktionsfähige elektronentragende biologische Drähte zu verwandeln.

"Es sind die aromatischen Aminosäuren, die es zu einem Draht machen", sagt der leitende Autor Derek Lovley von der University of Massachusetts, Amherst. Lovley und seine Kollegen entfernten die entscheidenden Aminosäuren aus den Pili und ersetzten sie durch kleinere, nicht aromatische Aminosäuren. Ohne diese Schlüsselkomponenten, sagt Lovley, sind die Pili nichts weiter als Eiweißketten. "Wir haben gezeigt, dass es nicht gut genug ist, nur die Saite zu basteln - man muss einen Draht basteln", sagt Lovley.

G. sulfurreducens "atmet", indem es Elektronen aus organischen Materialien entfernt und sie an Eisenoxide oder andere Mikroorganismen weiterleitet, ähnlich wie Menschen Elektronen aus organischen Molekülen in Lebensmitteln ziehen und auf Sauerstoff ablassen. Die Bakterien greifen mit ihren Pili nach Eisenoxiden oder anderen Mikroben und transportieren die "Abfall" -Elektronen entlang der Struktur zum Ziel. Geobacter 's Pili sind nur 3 bis 5 Nanometer breit, aber sie können 20 Mikrometer lang und um ein Vielfaches länger als die Zelle selbst sein.

Der Handel mit Elektronen ist die Art und Weise, wie alle Lebewesen atmen, wird jedoch normalerweise von diskreten Proteinen oder anderen Molekülen durchgeführt, die sich wie Container für den Transport von Elektronen von einem Ort zum anderen verhalten. Laut Lovley zeigten frühere Ergebnisse, dass die Pili in G. sulfurreducens eine metallähnliche Leitfähigkeit besitzen, die Fähigkeit, Elektronen entlang einer kontinuierlichen Struktur zu transportieren, was in der Biologie umstritten ist.

Um zu untersuchen, wie Pili diese einzigartige Leistung vollbringen kann, hat Lovley nach eigenen Angaben nicht-biologische organische Materialien untersucht, die Elektrizität leiten können. "In diesen synthetischen Materialien sind es aromatische Verbindungen, die für die Leitfähigkeit verantwortlich sind. Wir haben vermutet, dass es im Geobacter pili vielleicht ähnlich ist. In diesem Fall wären es aromatische Aminosäuren." Aromaten haben eine sehr stabile ringförmige Struktur aus Kohlenstoffatomen.

Lovley sagt, seine Gruppe habe nach aromatischen Aminosäuren in den Teilen der Pili-Proteine ​​gesucht, die höchstwahrscheinlich zur Leitfähigkeit beitragen würden. Mithilfe genetischer Techniken entwickelten sie einen Stamm von Geobacter , der Pili herstellt, denen in diesen Schlüsselregionen aromatische Aminosäuren fehlen, und testeten dann, ob diese Pili noch Strom leiten können. Sie konnten nicht. Das Entfernen der aromatischen Aminosäuren war ein bisschen wie das Entfernen des Kupfers aus einem mit Kunststoff ummantelten elektrischen Draht: Kein Kupfer bedeutet keinen Strom, und alles, was Sie übrig haben, ist eine Schnur.

Das Entfernen von aromatischen Aminosäuren aus den Pili verhindert, dass die Bakterien auch Eisen reduzieren, sagt Lovley, ein wichtiger Punkt, da es einen weiteren Beweis dafür liefert, dass Geobacter seine Pili als Nanodrähte verwendet, um Elektronen zur Unterstützung der Atmung zu transportieren.

Metallreduzierer wie Geobacter sind vielversprechend für den Einsatz in Brennstoffzellen, sagt Lovley. Indem sie den Mikroben, die Methan produzieren, Elektronen zuführen, sind sie ein wichtiger Bestandteil von anaeroben Fermentern, die aus Abfallprodukten Methangas produzieren. Verstehen, wie sie ihre Elektronen bewegen und wie die Pili-Funktion optimiert werden kann, um bessere Technologien zu entwickeln.

Lovley geht davon aus, dass sein eigenes Labor die Möglichkeiten biologischer Nanodrähte erforschen und untersuchen will, wie man sie mehr oder weniger leitfähig macht.