Nieuw onderzoek van de Washington University in St. Louis verklaart de cellulaire processen die een zonminnende microbe in staat stellen om elektriciteit te "eten", waarbij elektronen worden overgedragen om koolstofdioxide te fixeren om zijn groei te voeden.

Onder leiding van Arpita Bose, universitair docent biologie in Arts &Sciences, en Michael Guzman, een doctoraat kandidaat in haar laboratorium, een team van de Washington University liet zien hoe een natuurlijk voorkomende stam van Rhodopseudomonas palustris neemt elektronen op uit geleidende stoffen zoals metaaloxiden of roest. Het werk wordt beschreven in een artikel van 22 maart in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het onderzoek bouwt voort op de eerdere ontdekking van Bose dat: R. palustris TIE-1 kan elektronen verbruiken van roestproxy's, zoals elektroden in evenwicht, een proces dat extracellulaire elektronenopname wordt genoemd. R. palustris is fototroof, wat betekent dat het energie uit licht gebruikt om bepaalde stofwisselingsprocessen uit te voeren. Het nieuwe onderzoek verklaart de cellulaire putten waar deze microbe de elektronen dumpt die hij van elektriciteit eet.

"Het laat voor het eerst duidelijk zien hoe deze activiteit - het vermogen van het organisme om elektriciteit te eten - verband houdt met kooldioxidefixatie, " zei Bos, een Packard Fellow die microbiële metabolismes en hun invloed op biogeochemische cycli bestudeert.

Deze mechanistische kennis kan helpen bij de inspanningen om het natuurlijke vermogen van de microbe voor duurzame energieopslag of andere bio-energietoepassingen te benutten - een potentieel dat de aandacht heeft getrokken van het ministerie van Energie en het ministerie van Defensie.

" R. palustris soorten zijn te vinden op wilde en exotische plaatsen zoals een roestige brug in Woods Hole, Massachusetts waar TIE-1 uit werd geïsoleerd, "Zei Bose. "Echt, je vindt deze organismen overal. Dit suggereert dat extracellulaire elektronenopname heel gewoon zou kunnen zijn."

Guzman voegde toe:"De grootste uitdaging is dat het een anaërobe, dus je moet het kweken in een omgeving die geen zuurstof heeft, zodat het lichtenergie kan oogsten. Maar de keerzijde daarvan is dat die uitdagingen worden aangegaan met veel veelzijdigheid in dit organisme dat veel andere organismen niet hebben."

In hun nieuwe krant de onderzoekers toonden aan dat de elektronen uit elektriciteit in het membraan terechtkomen in eiwitten die belangrijk zijn voor de fotosynthese. Verrassend genoeg, toen ze het vermogen van de microbe om kooldioxide te fixeren verwijderden, ze zagen een vermindering van 90 procent in het vermogen om elektriciteit te verbruiken.

"Het wil echt koolstofdioxide fixeren met dit systeem, "Zei Bose. "Als je het weghaalt - dit aangeboren vermogen - wil het gewoon helemaal geen elektronen opnemen."

Ze zei dat de reactie in sommige opzichten vergelijkbaar is met een oplaadbare batterij.

"De microbe gebruikt elektriciteit om zijn redoxpool op te laden, de elektronen opslaan en sterk gereduceerd maken, "zei Bose. "Om het te ontladen, de cel reduceert koolstofdioxide. De energie voor dit alles komt van zonlicht. Het hele proces blijft zich herhalen, waardoor de cel biomoleculen kan maken met niets meer dan elektriciteit, koolstofdioxide en zonlicht."

Een volledig team van de universiteit van Washington overwon een aantal technische hindernissen om deze studie te voltooien. Mark Meacham van de McKelvey School of Engineering hielp bij het ontwerpen en fabriceren van de microfluïdische apparaten waarmee de onderzoekers zich konden concentreren op de activiteiten die in cellen plaatsvonden terwijl de bacteriën werden gevoed door elektriciteitsbronnen. Het team vertrouwde ook op de steun van medewerkers, waaronder David Fike van de afdeling aard- en planeetwetenschappen, die Bose en Guzman hielp om secundaire ionenmassaspectrometrie te gebruiken om te bepalen hoe de microbe koolstofdioxide gebruikt.

Het nieuwe onderzoek beantwoordt fundamentele wetenschappelijke vragen en biedt volop kansen voor toekomstige bio-energietoepassingen.

"Voor een lange tijd, mensen weten dat microben kunnen interageren met analogen van elektroden in de omgeving, dat wil zeggen, mineralen die ook geladen zijn, "Zei Guzman. "Maar niemand waardeerde echt hoe dit proces ook door foto-autotrofen kon worden gedaan, zoals dit soort organismen die hun eigen koolstof vastleggen en licht gebruiken om energie te maken. Dit onderzoek vult een slecht begrepen leemte in het veld."

Het lab van Bose werkt aan het gebruik van deze microben om bioplastics en biobrandstoffen te maken.

"We hopen dat dit vermogen om elektriciteit en licht te combineren om koolstofdioxide te verminderen, kan worden gebruikt om duurzame oplossingen voor de energiecrisis te vinden, ' zei Bos.