De afgelopen 10 jaar, wetenschappers zijn gefascineerd door een soort 'elektrische bacteriën' die lange ranken als elektrische draden uitschieten, ze gebruiken ze om zichzelf van stroom te voorzien en elektriciteit over te brengen naar een verscheidenheid aan vaste oppervlakken.

Vandaag, een team onder leiding van wetenschappers van het USC heeft de studie van deze bacteriële nanodraden op zijn kop gezet, ontdekken dat de belangrijkste kenmerken in kwestie niet pili zijn, zoals eerder werd gedacht, maar eerder zijn extensies van het buitenmembraan van de bacterie uitgerust met eiwitten die elektronen overdragen, genaamd "cytochromen".

Wetenschappers vermoedden al lang dat bacteriële nanodraden pili waren - Latijn voor "haar" - haarachtige kenmerken die veel voorkomen bij andere bacteriën, waardoor ze aan oppervlakken kunnen hechten en zelfs met elkaar kunnen verbinden. Gezien de gelijkenis van vorm, het was gemakkelijk te geloven dat nanodraden pili waren. Maar Moh El-Naggar, assistent-professor aan het USC Dornsife College of Letters, Kunsten en Wetenschappen, zegt dat hij altijd voorzichtig was om niet te zeggen dat hij zeker wist dat ze dat waren.

"Het pili-idee was de sterkste hypothese, maar we waren altijd voorzichtig omdat de exacte samenstelling en structuur erg ongrijpbaar waren. Toen losten we de experimentele uitdagingen op en de harde gegevens brachten ons in een heel andere richting. Ik ben nog nooit zo blij geweest dat ik ongelijk had. Op veel manieren, het bleek een nog slimmere manier te zijn voor bacteriën om zichzelf van energie te voorzien, " zei El-Naggar, corresponderende auteur van de studie, die in 2012 werd uitgeroepen tot Popular Science Brilliant 10-onderzoeker vanwege zijn baanbrekende werk met bacteriële nanodraden.

Deze laatste studie zal online worden gepubliceerd door de Proceedings van de National Academy of Sciences op 18 augustus.

Wetenschappers van het USC werkten samen met collega's van Penn State, de Universiteit van Wisconsin-Milwaukee, Pacific Northwest Nationaal Laboratorium, en Rensselaer Polytechnic Institute over het onderzoek.

De eerste aanwijzing kwam van het volgen van de genen van de bacteriën. Tijdens de vorming van nanodraden, wetenschappers merkten een toename op in de expressie van elektronentransportgenen, maar geen overeenkomstige toename van de expressie van piline-genen.

Uitgedaagd door dit bewijs van wat nanodraden niet waren, het team moest vervolgens uitzoeken wat ze eigenlijk waren. El-Naggar crediteert Sahand Pirbadian, afgestudeerde USC-student, met het bedenken van een ingenieuze maar eenvoudige strategie om de ontdekking te doen.

Door de bacteriën zuurstof te ontnemen, de onderzoekers waren in staat om de bacteriën op commando te dwingen hun nanodraden uit te rekken, waardoor het proces in realtime kan worden geobserveerd. En door het bacteriële membraan te kleuren, periplasma, cytoplasma, en specifieke eiwitten, onderzoekers waren in staat om video te maken van de nanodraden die uitreiken - wat bevestigt dat ze gebaseerd waren op membraan, en helemaal geen pili.

Het proces is niet zo eenvoudig als het klinkt. Het genereren van video's van de nanodraden die zich uitstrekken, vereiste nieuwe methoden om meerdere functies tegelijkertijd te labelen, houd een camera gericht op de kronkelende bacteriën, en combineer de optische technieken met atomaire krachtmicroscopie om een ​​hogere resolutie te verkrijgen.

"Het kostte ons ongeveer een jaar om de experimentele opstelling te ontwikkelen en de juiste omstandigheden te vinden voor de bacteriën om nanodraden te produceren, " Zei Pirbadian. "We moesten teruggaan en enkele oudere experimenten opnieuw bekijken en heroverwegen wat we wisten over het organisme. Toen we eenmaal in staat waren om nanodraadgroei te induceren, we begonnen met het analyseren van hun samenstelling en structuur, wat weer een jaar werk kostte. Maar het was de moeite meer dan waard, want het resultaat was zeer verrassend, maar achteraf gezien heel logisch."

Het begrijpen van de manier waarop deze elektrische bacteriën werken, heeft toepassingen tot ver buiten het laboratorium. Zulke wezens hebben het potentieel om enkele van de grote vragen over de aard van het leven zelf aan te pakken, inclusief welke soorten levensvormen we zouden kunnen vinden in extreme omgevingen, zoals ruimte. In aanvulling, dit onderzoek heeft het potentieel om de creatie van leven, microbiële circuits - vormen de basis van hybride biologisch-synthetische elektronische apparaten.

Dit onderzoek werd bij het USC gefinancierd door het U.S. Department of Energy and Air Force Office of Scientific Research en mogelijk gemaakt door faciliteiten van de USC Centers of Excellence in NanoBioPhysics en Electron Microsopy and Microanalysis.