Microbiologen onder leiding van Derek Lovley aan de Universiteit van Massachusetts Amherst, die internationaal bekend staat vanwege de ontdekking van elektrisch geleidende microfilamenten of "nanodraden" in de bacterie Geobacter, kondigen deze maand in een nieuwe krant aan dat ze de onverwachte structuren in veel andere soorten hebben ontdekt, het onderzoeksveld op elektrisch geleidende filamenten aanzienlijk verbreden. Details verschijnen online in de International Society of Microbial Ecology Journal .

Lief, die 30 jaar geleden zijn eerste artikel publiceerde waarin Geobacter werd beschreven, verklaart, "Geobacter heeft deze speciale filamenten ontwikkeld met een zeer korte basissubeenheid, een pilin genaamd, die samenkomt om lange kettingen te vormen die lijken op een gedraaid touw. De meeste bacteriën hebben een basissubeenheid die twee tot drie keer langer is. Ze hebben elektrisch geleidende pili of e-pili is een recente evolutionaire gebeurtenis in Geobacter, dus de werkhypothese was dat dit vermogen alleen zou worden gevonden in zijn naaste familieleden."

Hij voegt toe, "Het was voor ons een verrassing, en ik denk dat veel mensen verrast zullen zijn om te leren, dat het concept dat microben de korte piline-subeenheid nodig hebben om e-pili te produceren, verkeerd is. We hebben ontdekt dat sommige veel grotere pilins ook e-pili kunnen opleveren en dat het vermogen om e-pili tot expressie te brengen meerdere keren onafhankelijk is ontstaan ​​in de evolutie van diverse microbiële groepen." Hij en co-auteurs voegen eraan toe dat "e-pili kan hebben een belangrijke rol in de biogeochemische kringloop van koolstof en metalen en hebben potentiële toepassingen als 'groene' elektronische materialen."

Lovely zegt, "Dit is een geweldige ontwikkeling, want nu wordt het veld breder. Microbiologen weten nu dat ze met andere microben kunnen werken om elektrisch geleidende filamenten te onderzoeken. We hebben een breed scala aan microben gevonden die dit hebben. Een interessant ding dat we al kunnen melden, is dat sommige van de nieuwe bacteriën die we hebben geïdentificeerd filamenten hebben met een diameter tot 10 nanometer. De filamenten van Geobacter zijn erg dun, slechts drie nanometer in diameter. Voor het bouwen van elektronische apparaten zoals nanodraadsensoren, het is een stuk makkelijker om dikkere draden te manipuleren. Het zal ook eenvoudiger zijn om de structurele kenmerken die geleidbaarheid verlenen aan de dikkere draden op te helderen, omdat het gemakkelijker is om hun structuur op te lossen."

Hij hoopt dat de ontdekking van extra elektrisch geleidende eiwitnanodraden zal bijdragen aan een broodnodige "groene, " duurzame revolutie in de productie van elektronica. "Ons huidige systeem van het gebruik van aanzienlijke energie en zeldzame bronnen om elektronica te produceren, en ze vervolgens weg te gooien op stortplaatsen voor giftig afval in het buitenland, is niet duurzaam, " zegt Lovley. Het produceren van elektronische biologische materialen met microben kan worden bereikt zonder agressieve chemicaliën en vereist een lagere energie-input, hij maakt duidelijk. "En de microben eten goedkoop. In het geval van Geobacter, we voeren ze eigenlijk azijn."

Lovley en collega's melden dat "stammen van G. sulfurreducens die hoge stroomdichtheden produceren, die alleen mogelijk zijn met e-pili, werden verkregen met piline-genen van Flexistipes sinusarabici, Calditerrivibrio nitroreducens en Desulfurivibrio alkaliphilus. De geleiding van pili van deze stammen was vergelijkbaar met die van inheemse G. sulfurreducens e-pili."

In recente jaren, de UMass Amherst-microbiologen en natuurkundigen die met Geobacter-soorten werkten, ontwikkelden een hypothese voor hoe zijn e-pili elektrische stroom kunnen geleiden op basis van de aanwezigheid van aromatische aminozuren in de piline-subeenheden. Ze hebben deze eigenschap - een hoge dichtheid aan aromatische aminozuren en een gebrek aan substantiële aromatische vrije gaten langs pilineketens - gebruikt om kandidaat-pili-genen van andere micro-organismen te selecteren, waaronder veel moeilijk te kweken micro-organismen.

Het gebruik van deze techniek "onthult nieuwe bronnen voor biologisch gebaseerde elektronische materialen en suggereert dat een brede fylogenetische diversiteit van micro-organismen e-pili kan gebruiken voor extracellulaire elektronenuitwisseling, " rapporteren ze. Om hun biologische screeningresultaten te testen en te valideren, ze haalden inheemse piline-genen uit Geobacter en vervingen ze door Calditerrivibrio-genen, bijvoorbeeld, plaatste dit genetisch gemodificeerde organisme vervolgens in een microbiële brandstofcel om te zien of het elektrische stroom zou produceren. In meerdere gevallen is zij deden, zegt Lovely.

Lovley ontdekte Geobacter toen hij werd ingehuurd door de U.S. Geological Survey om zijn eerste microbiologische project in de waterkwaliteit in de Potomac-rivier uit te voeren, in het bijzonder om te begrijpen welke microben van invloed waren op algenbloei gevoed door fosfaten in riviersedimenten. Hij herinnert zich, "De meeste wetenschappers, waaronder microbiologen, dacht dat een chemische reactie verantwoordelijk was voor de ijzertransformaties in de modder die de bijbehorende fosfaten als vervuiling in het water vrijgaven. Echter, toen we dit verder onderzochten, het was duidelijk dat er micro-organismen bij betrokken waren en dat leidde tot de ontdekking van Geobacter."

Door de jaren heen, andere unieke kenmerken van Geobacter hebben geresulteerd in veel "primeurs in de microbiologie" op het gebied van biogeochemie, bioremediatie en hernieuwbare energie. Lovely zegt, "Nu heeft Geobacter ons in de elektronica getrokken. Ik ben opgewonden om te ontdekken of deze nieuwe elektrisch geleidende eiwit-nanodraden van andere bacteriën misschien zelfs beter functioneren dan de Geobacter-draden voor toepassingen zoals biomedische sensoren. De eenvoudige screeningmethode die in ons artikel wordt beschreven, is het identificeren genen voor geleidende draden in diverse micro-organismen die kunnen vertrouwen op elektrische signalering voor unieke functies van biomedische en ecologische betekenis."