De bewering van microbioloog Derek Lovley en collega's van de Universiteit van Massachusetts Amherst dat de microbe Geobacter kleine elektrische draden produceert, microbiële nanodraden genoemd, is al tien jaar in controverse verwikkeld, maar de onderzoekers zeggen dat een nieuwe gezamenlijke studie sterker bewijs dan ooit levert om hun beweringen te ondersteunen.

Natuurkundigen van UMass Amherst die samenwerken met Lovley en collega's rapporteren in de huidige uitgave van: Natuur Nanotechnologie dat ze een nieuwe beeldvormingstechniek hebben gebruikt, elektrostatische krachtmicroscopie (EFM), om het biologische debat op te lossen met bewijs uit de natuurkunde, wat aantoont dat elektrische ladingen zich inderdaad voortplanten langs microbiële nanodraden, net als in koolstofnanobuisjes, een zeer geleidend door de mens gemaakt materiaal.

Natuurkundigen Nikhil Malvankar en Sibel Ebru Yalcin, met natuurkundeprofessor Mark Tuominen, bevestigde de ontdekking met behulp van EFM, een techniek die kan laten zien hoe elektronen door materialen bewegen. "Toen we elektronen op één plek in de microbiële nanodraden injecteerden, de hele gloeidraad lichtte op terwijl de elektronen zich door de nanodraad voortplantten, ' zegt Malvankar.

Yalcin, nu bij Pacific Northwest National Lab, voegt toe, "Dit is dezelfde reactie die je zou zien in een koolstofnanobuisje of andere sterk geleidende synthetische nanofilamenten. Zelfs de ladingsdichtheden zijn vergelijkbaar. Dit is de eerste keer dat EFM is toegepast op biologische eiwitten. Het biedt veel nieuwe kansen in de biologie. "

Lovley zegt dat het vermogen van elektrische stroom om door microbiële nanodraden te stromen belangrijke ecologische en praktische implicaties heeft. "Microbiële soorten communiceren elektrisch via deze draden, het delen van energie in belangrijke processen zoals de omzetting van afvalstoffen in methaangas. Dankzij de nanodraden kan Geobacter leven van ijzer en andere metalen in de bodem, de bodemchemie aanzienlijk veranderen en een belangrijke rol spelen bij het opruimen van het milieu. Microbiële nanodraden zijn ook belangrijke componenten in het vermogen van Geobacter om elektriciteit te produceren, een nieuwe mogelijkheid die wordt aangepast om microbiële sensoren en biologische computerapparatuur te ontwikkelen."

Hij erkent dat er grote scepsis bestaat over de nanodraden van Geobacter, die eiwitfilamenten zijn, elektronen kunnen geleiden als een draad, een fenomeen dat bekend staat als metaalachtige geleidbaarheid. "Scepticisme is goed in de wetenschap, het zorgt ervoor dat je harder werkt om te beoordelen of wat je voorstelt juist is, ' merkt Lovley op. 'Het is altijd makkelijker om iets te begrijpen als je het kunt zien. Drs. Malvankar en Yalcin bedachten een manier om ladingsvoortplanting langs de nanodraden te visualiseren die zo elegant is dat zelfs een bioloog als ik het mechanisme gemakkelijk kan begrijpen."

Biologen weten al jaren dat in biologische materialen, elektronen bewegen meestal door te springen langs discrete biochemische stapstenen die de individuele elektronen kunnen vasthouden. Daarentegen, elektronen in microbiële nanodraden worden gedelokaliseerd, niet geassocieerd met slechts één molecuul. Dit staat bekend als metaalachtige geleidbaarheid omdat de elektronen worden geleid op een manier die vergelijkbaar is met een koperdraad.

Malvankar, die het eerste bewijs leverde voor de metaalachtige geleidbaarheid van de microbiële nanodraden in de laboratoria van Lovley en Tuominen in 2011, zegt, "Metaalachtige geleidbaarheid van de microbiële nanodraden leek duidelijk uit hoe het veranderde met verschillende temperatuur of pH, maar er waren nog veel twijfelaars, vooral onder biologen."

Om meer steun aan hun hypothese toe te voegen, Lovley's lab heeft genetisch de structuur van de nanodraden veranderd, het verwijderen van de aromatische aminozuren die de gedelokaliseerde elektronen leveren die nodig zijn voor metaalachtige geleidbaarheid, het winnen van meer sceptici. Maar EFM zorgt voor de finale, belangrijk bewijs, zegt Malvankar.

"Onze beeldvorming laat zien dat ladingen langs de microbiële nanodraden stromen, ook al zijn het eiwitten, nog in hun oorspronkelijke staat gehecht aan de cellen. Zien is geloven. Het geeft veel voldoening om de ladingsvoortplanting in de nanodraden op moleculair niveau te kunnen visualiseren. Ik verwacht dat deze techniek een bijzonder belangrijke toekomstige impact zal hebben op de vele gebieden waar natuurkunde en biologie elkaar kruisen", voegt hij eraan toe.

Tuominen zegt, "Deze ontdekking brengt niet alleen een belangrijk nieuw principe naar voren in de biologie, maar ook in de materiaalkunde. Natuurlijke aminozuren, als het goed is geregeld, kan ladingen voortplanten die vergelijkbaar zijn met moleculaire geleiders zoals koolstofnanobuisjes. Het opent spannende mogelijkheden voor op eiwitten gebaseerde nano-elektronica die voorheen niet mogelijk was."

De microbiële nanodraden van Lovley en collega's zijn een potentiële "groene" elektronicacomponent, gemaakt van hernieuwbare, niet-giftige materialen. Ze vertegenwoordigen ook een nieuwe rol in het groeiende veld van synthetische biologie, hij zegt. "Nu we beter begrijpen hoe de nanodraden werken, en hebben aangetoond dat ze genetisch kunnen worden gemanipuleerd, engineering van 'elektrische microben' voor een diversiteit aan toepassingen lijkt mogelijk."

Een toepassing die momenteel wordt ontwikkeld, is het maken van Geobacter tot elektronische sensoren om milieuverontreinigingen te detecteren. Een ander voorbeeld zijn op Geobacter gebaseerde microbiologische computers. Dit werk werd ondersteund door het Office of Naval Research, het Amerikaanse ministerie van Energie en de National Science Foundation.