De laatste tijd is er een wetenschappelijk debat gaande over de vraag of microbiële nanodraden, de gespecialiseerde elektrische pili van de in de modder levende anaërobe bacterie Geobacter zwavelreducens , echt metaalachtige geleidbaarheid bezitten, zoals de ontdekkers beweren. Maar nu University of Massachusetts Amherst microbioloog Derek Lovley, met postdoctoraal onderzoeker Nikhil Malvankar en collega's, zeggen dat ze het geschil tussen theoretische en experimentele wetenschappers hebben opgelost door een combinatie van nieuwe experimenten en betere theoretische modellering te bedenken.

In een reeks artikelen die teruggaat tot 2011 Lovley's groep leverde verschillende lijnen van experimenteel bewijs dat: Geobacter pili geleiden elektronen door de nauwe interactie van aromatische aminozuren in de eiwitfilamentstructuur. Zoals Malvankar uitlegt, "Elektronen stromen zoals ze doen in een koperdraad, vandaar de term metaalachtige geleidbaarheid." Echter, in de afgelopen twee jaar hebben veel groepen theoretische modelbouwers artikelen gepubliceerd waarin wordt geconcludeerd dat de resultaten van Lovley en Malvankar onmogelijk zijn.

Maar, zegt Lovely, "Volgens mij, experimentele gegevens troeven modellering. Zoals wijlen natuurkundige Richard Feynman zei:'Het maakt niet uit hoe mooi je theorie is, het maakt niet uit hoe slim je bent. Als het niet overeenkomt met het experiment, het is verkeerd.'"

Op zoek naar nog meer experimentele gegevens, Malvankar reisde twee jaar naar Brookhaven National Laboratory om de structuur van Geobacter pili met geavanceerde benaderingen, waaronder synchrotron röntgenmicrodiffractie en rocking-curve röntgendiffractie. Hij vond een periodieke afstand van 3,2-angstrom van aromatische aminozuren in de Geobacter pili, veel dichter bij elkaar dan de theoretische modellen voorspelden. Bevindingen verschijnen in het huidige nummer van het tijdschrift mBio .

Lief zegt, "In Nikhils experimenten, we zien een duidelijke signatuur van de nauwe pakking van de aromatische aminozuren. Niet-geleidende pili missen dit. Ook, toen Nikhil de pili aanzuurde, er was een toename van de pakking van de aromaten in verhouding tot een toename van hun geleidbaarheid. Deze resultaten zijn consistent met ons concept van metaalachtige geleidbaarheid in de pili. Geen van de modellen die onze hypothese verwierpen, was consistent met deze resultaten."

Om het gebrek aan overeenstemming tussen de experimenten en modellen beter te begrijpen, Malvankar werkte samen met Eric Martz, Emeritus hoogleraar UMass Amherst en expert op het gebied van eiwitmodellering. Ze ontdekten dat het veranderen van een simpele aanname bij het bouwen van het pili-model de uitkomst drastisch veranderde. Malvankar legt uit, "Eerdere modellen begonnen met een sjabloon van de structuur voor Neisseria gonorrhoeae pili. Geobacter pili zijn eigenlijk nauwer verwant aan die van Pseudomonas aeruginosa . Ons model is gebaseerd op: Pseudomonas ."

Het model van Malvankar voorspelt een dichte pakking van aromatische aminozuren in overeenstemming met hun experimentele resultaten en de hypothese dat: Geobacter pili bezitten een metaalachtige geleidbaarheid.

Martz waarschuwt, "We beweren niet dat ons model 100 procent correct is. we weten zeker dat het niet zo is. Maar de andere modellen kunnen de experimentele resultaten gewoon niet verklaren. Onze wel. Ook, de geleidbaarheid komt van een eiwit. Wetenschappers hebben altijd gezegd dat eiwitten deze functie niet kunnen vervullen. We ontdekten dat ze het niet alleen doen, maar ze doen het ook goed. Dit is fundamenteel zo'n interessante bevinding dat wetenschappers zullen moeten opletten."

Deze ontdekking, ondersteund door financiering van het Amerikaanse Office of Naval Research, zal naar verwachting helpen bij het construeren van andere bacteriën om microbiële nanodraden te produceren met methoden van synthetische biologie. Bijvoorbeeld, Lovley's lab heeft een kunstmatige vorm van fotosynthese uitgevonden waarbij microben hernieuwbare elektriciteit gebruiken om koolstofdioxide om te zetten in brandstoffen en andere organische chemicaliën. Hij zegt, "Hoe beter we begrijpen hoe microbiële nanodraden werken, hoe groter onze kansen om de elektrode-microbe elektronenuitwisseling te optimaliseren."

Malvankar voegt toe, "Er is ook de mogelijkheid om te profiteren van de fundamentele ontwerpprincipes die de natuur ons leert om op een duurzame manier nieuwe elektronische materialen te produceren." In de natuur, Geobacter use their microbial nanowires to breathe; they transfer electrons onto iron oxides, natural rust-like minerals in soil, which serve the same function for these bacteria that oxygen does in humans. "What Geobacter can do with its nanowires is akin to breathing through a snorkel that's 10 kilometers long, " hij zegt.

Others in Lovley's group have shown that Geobacter uses microbial nanowires to electrically communicate with other microbial species. This cooperative electron sharing is important in the conversion of organic wastes to methane, an effective bioenergy strategy. Nanowires are also key components of ongoing studies by Lovley's lab to build biocomputers and novel biosensors. The UMass Amherst team is now working on a "pili factory" to make purified Geobacter pili freely available to other researchers, to repeat these experiments or carry out other studies.