Bakteriální nanodrátky vytvářejí v půdě elektrickou síť

Foto: AndreasAux/Pixabay

Jedna rodina proteinů funguje jako řada elektricky propojených „zástrček“ pro nabíjení mikrobiálních nanodrátů. Protože hluboko pod zemí není mnoho kyslíku, bakterie, které tam žijí, vyvinuly jiné způsoby, jak se zbavit elektronů, které produkují, když „dýchají“. Jedno z těchto řešení zahrnuje vyslání vodivých vláken, nanodrátů, do půdy, aby se rozptýlily elektrony, ale důležité detaily tohoto procesu unikly pochopení biofyziků.

Výzkumníci z Yaleské univerzity v USA a univerzity NOVA v Lisabonu v Portugalsku nyní zjistili, že pro bakterie rodu Geobacter funguje jediná rodina proteinů jako řada elektricky propojených „zástrček“ pro nabíjení těchto mikrobiálních nanodrátů. Zjištění značně zjednodušuje model toho, jak tyto bakterie exportují elektrony, a tým tvrdí, že tento „minimální elektroinstalační stroj“ může být mezi bakteriálními druhy běžný.

Bakterie, které žijí v půdě, mají dva způsoby, jak darovat elektrony, které produkují, externím akceptorům elektronů. První zahrnuje přenos elektronů do půdních minerálů a je známý jako extracelulární přenos elektronů (EET). Druhý, přímý mezidruhový přenos elektronů (DIET), zahrnuje partnerské druhy. Oba procesy jsou životně důležité pro schopnost mikrobů přežít a vytvořit společenství, ale mohou být neúčinné. Bakterie jako Geobacter se proto vyvinuly tak, aby produkovaly vodivé nanodrátky, které umožňují rychlejší EET s dlouhým dosahem.

Pět proteinů

Rodina proteinů, kterou tým Yale – NOVA označil za klíčovou pro fungování těchto nanodrátů, obsahuje pět proteinů. Všechny sídlí v prostoru mezi vnitřní a vnější membránou bakterie, bakteriální periplazmě, a jsou známé jako periplazmatický cytochrom ABCDE (PpcA-E). Tyto proteiny vstřikují elektrony do vláken na bakteriálních površích, která fungují jako nanodrátky, čímž vytvářejí elektrické spojení pro „dýchání kovu“ Geobacter .

Toto elektrické spojení umožňuje Geobacter přenášet přebytečné elektrony produkované během metabolismu na minerály v půdě bez potřeby prostředníků, vysvětluje Nikhil Malvankar z Yale, který vedl studii s Carlosem Salgueirem na univerzitě NOVA. Proteiny v podstatě fungují jako zátky v přirozené půdě založené „elektrické síti“. Tato mřížka může být zodpovědná za to, že umožňuje mnoha typům mikrobů přežít a podporovat život, říkají vědci.

Foto: Jedna rodina proteinů funguje jako řada elektricky propojených „zástrček“ pro nabíjení mikrobiálních nanodrátů. (S laskavým svolením: Eric Martz - tisková zpráva)

Mikroskopické písty tlačí vlákna vyrobená z cytochromů

Ačkoli byla bakteriální vlákna poprvé pozorována v roce 2002, vědci se zpočátku domnívali, že jsou tvořena takzvanými pili proteiny („pili“ znamená v latině „vlasy“). Mnoho bakterií má na svém povrchu pili a genetické údaje naznačují, že tato vlasová vlákna by mohla hrát podobnou roli v Geobacter, říká Malvankar. V roce 2021 však výzkumníci v Malvankarově laboratoři vyřešili atomovou strukturu a ukázali, že místo toho fungují jako písty, které tlačí vlákna tvořená cytochromy. Kromě toho atomové struktury cytochromů známé jako OmcS a OmcZ zahrnují řetězec molekul hemu obsahujících kov, které nesou elektrony.

Zatímco tyto atomové struktury vysvětlovaly, jak nanodrátky přenášejí elektrony, spojení mezi nanodrátky a povrchem bakterií zůstalo záhadou, dodává. Je to proto, že většina povrchů článků je elektricky nevodivá.

„Předpokládalo se, že za toto spojení je zodpovědná jiná rodina proteinů zabudovaných v bakteriální membráně, nazývaná porinové cytochromy, přestože bakterie jsou schopny přenášet elektřinu i v jejich nepřítomnosti,“ vysvětluje Malvankar. „Přítomnost periplazmatických proteinů přenášejících elektrony na nanodrátky eliminuje potřebu jakýchkoli intermediálních elektronových nosičů a vysvětluje, jak buňky přenášejí elektrony pozoruhodně vysokou rychlostí (milion elektronů za sekundu), i když se elektrony v proteinech mohou pohybovat rychlostí alespoň 10krát pomalejší.“

Vědci, kteří publikovali svou práci v Nature Communications, nyní konstruují nově objevený mechanismus do bakterií, které jsou důležité pro klima nebo jsou schopné vyrábět biopaliva. Cílem je pomoci těmto prospěšným organismům růst rychleji. „Pracujeme také na tom, jak se nabíjí další nanovlákno cytochromu OmcZ, a identifikujeme roli porinových cytochromů v těchto procesech,“ říká Malvankar.

Článek byl upraven z tiskové zprávy Physicworld.