Profundo en el fondo del mar, adolescente bacterias La electricidad «exhalaba» a través de esnórquel largos y delgados, y ahora, los científicos han descubierto cómo encender y apagar la respiración eléctrica de estos microbios.
En un nuevo estudio publicado el miércoles (1 de septiembre) en la revista, los investigadores informan que esta extraña bacteria se basa en dos proteínas, que se combinan en una sola estructura similar a un cabello llamada pilus. naturaleza temperamental. Muchos de estos filamentos están ubicados justo debajo de la membrana bacteriana y ayudan a impulsar la inmersión extracelular en el entorno circundante, lo que permite que el microbio respire.
Este descubrimiento no solo revela algo inesperado sobre la biología de las bacterias, sino que también podría allanar el camino para nuevas tecnologías, desde poderosas baterías alimentadas por bacterias hasta nuevos tratamientos médicos para infecciones bacterianas, dice el autor principal Nikhil Malvankar, profesor asociado de biofísica molecular y bioquímica. Universidad de Yale. El Instituto de Ciencias Microbianas de la universidad, le dijo a Live Science.
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Las bacterias pertenecen al género Geobacter Se pueden encontrar en todo el mundo, creciendo profundamente en la tierra en suelos completamente desprovistos de Oxígeno. Los seres humanos dependen del oxígeno para convertir los alimentos en energía utilizable y saturable. Electrones dejado por este proceso de metabolismo. Si los electrones restantes se acumulan, dijo Malvankar, rápidamente se volverán tóxicos para el cuerpo.
Al igual que los humanos Geobacter Los microbios generan electrones de desecho durante el metabolismo, pero no tienen acceso al oxígeno como nosotros. Entonces, para deshacerse de sus electrones adicionales, las bacterias se encapsulan en filamentos conductores delgados, llamados nanocables, que pueden transferir electrones de microbios, bacterias u otros metales en el medio ambiente, como planchar óxido.
Estos delgados nanocables son 100.000 veces más pequeños que el ancho de un cabello humano y pueden transportar electrones a largas distancias, cientos o miles de veces la longitud del cuerpo del microbio original. Live Science informado anteriormente.
No puedo respirar oxígeno hasta 100 metros de altura. [328 feet] «Lejos de mí», dijo Malfanker. Y de alguna manera, estas bacterias usan estos nanocables como un tubo de respiración que es 100 veces su tamaño, por lo que pueden continuar respirando a distancias tan largas. “Esta hazaña nace corriente eléctrica, donde los electrones fluyen constantemente a través de largos nanocables.
Pero aunque los científicos descubrieron estos nanocables a principios de la década de 2000, Malvanker y sus colegas descubrieron recientemente de qué están hechos estos tubos celulares. Al principio, los científicos asumieron que los nanocables eran chips. Esta idea parece estar respaldada por el hecho de que si elimina los genes necesarios para construir un pili a partir de Geobacter Malvankar dijo que las bacterias y los nanocables ya no aparecían en sus superficies.
Pero había un problema: las proteínas de Bailey no contienen ningún metal, como el hierro, que conduzca la electricidad. Malvankar y su equipo investigaron este misterio en un estudio de 2019 publicado en la revista. celda de prisiónDurante el cual comprobaron Geobacter Uso de bacterias Microscopio electrónico (cryo-EM), una tecnología que consiste en hacer brillar un haz de electrones a través de un material para tomar una instantánea de las partículas que lo componen.
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«Fue entonces cuando nos dimos cuenta de que no había escamas en la superficie de la bacteria», dijo Malvankar. «Eso fue una gran sorpresa.» En cambio, el equipo descubrió que los nanocables están hechos de Proteínas Se denominan citocromos, que transfieren fácilmente electrones a lo largo de su longitud y, por lo tanto, forman nanocables mucho mejores que los pili. En un estudio realizado en 2020 y publicado en la revista biología de naturaleza químicaEl equipo informa que estos nanocables basados en citocromos vienen en múltiples «sabores» que conducen la electricidad con diferentes niveles de eficiencia.
Pero incluso después de que el equipo reveló la composición química de los nanocables, las proteínas capilares todavía aparecían en sus evaluaciones bioquímicas de Geobacter bacterias. Si los filamentos no conducen la electricidad, «la gran pregunta era, ya sabes, ¿qué es lo que realmente hacen estos filamentos? ¿Dónde están?». Dijo Malvankar.
En el último estudio de Nature, el equipo examinó más de cerca la estructura de estos filamentos eliminando primero los genes de los nanocables en el laboratorio. Geobacter sulfurreducens. El cabello generalmente está bloqueado por nanocables, por lo que sin esas estructuras en el camino, protuberancias similares a pelos brotan de la superficie de las células. Esto le dio al equipo la oportunidad de examinar el cabello con crio-EM, que reveló dos proteínas distintas, PilA-N y PilA-C, dentro de cada cabello.
El equipo también realizó pruebas para ver qué tan bien funcionaban los filamentos con la electricidad y descubrió que «mueven los electrones 20.000 veces más lento que OmcZ», la proteína del citocromo que constituye la proteína más conductora. Geobacter nanocables, dijo Malvankar. «En realidad, no está hecho para mover electrones».
Sin embargo, el equipo parecía que podría realizar una función diferente, señaló el equipo. En otras especies bacterianas, algunos filamentos se asientan debajo de la membrana celular y se mueven como pequeños pistones. Este movimiento les permite empujar las proteínas a través de la membrana y hacia arriba y hacia afuera de la célula. Por ejemplo, bacterias vibrio cólera, que causan enfermedades diarreicas y cólera, y estas cerdas se utilizan para secretar la toxina del cólera, según un informe de 2010 en la revista. Naturaleza estructural y biología molecular. En una serie de experimentos, el equipo determinó que había un cabello. Geobacter Desempeñan un papel similar, ya que ayudan a empujar los nanocables a través de la membrana microbiana.
«Encontramos que los citocromos están atrapados dentro de las bacterias cuando la proteína del pistón no está presente», dijo Malvankar. «Y cuando volvemos a poner el gen, los citocromos pueden salir de la bacteria». El equipo concluyó que esta era la clave para activar la bacteria.
Mirando hacia el futuro, los investigadores planean investigar la cantidad de otros tipos de bacterias que construyen nanocables y los usan para oler electricidad. También están interesados en explorar aplicaciones prácticas de la investigación.
Los investigadores utilizaron Geobacter colonias para alimentar pequeños dispositivos electrónicos durante más de una década, pero hasta ahora, estas baterías bacterianas solo pueden producir pequeñas cantidades de energía, Live Science informado anteriormente. En investigaciones anteriores, Malvankar y su equipo descubrieron que las colonias podrían volverse más conductoras bajo la influencia de un campo eléctrico, lo que podría ayudar a mejorar la potencia de estos dispositivos; Ahora, la nueva investigación podría proporcionar a los científicos otro grado de control, permitiéndoles encender o apagar la electricidad.
Malvankar dijo que esta investigación también podría tener aplicaciones en medicina, particularmente en tratamientos para infecciones bacterianas. por ejemplo, salmonela Se las arregla para deshacerse de las bacterias beneficiosas en el intestino porque puede pasar de la fermentación, que produce energía lentamente sin necesidad de oxígeno, a la respiración, que produce energía rápidamente y generalmente requiere oxígeno. Live Science informado anteriormente. En un entorno intestinal con poco oxígeno, salmonela Un compuesto llamado tetrationato se usa como sustituto del oxígeno, superando así a las bacterias beneficiosas del cuerpo.
Pero, ¿y si pudieran surgir estas bacterias beneficiosas? En teoría, si conecta las bacterias con nanocables y los inserta en el intestino, como una especie de tratamiento probiótico, podrían superar a patógenos dañinos como salmonelaDijo Malvankar. Malvankar y sus colegas están estudiando este posible curso de tratamiento, pero el trabajo aún se encuentra en sus primeras etapas.
Publicado originalmente en Live Science.
