Debido a que no hay mucho oxígeno en las profundidades del subsuelo, las bacterias que viven allí han desarrollado otras formas de deshacerse de los electrones que producen cuando “respiran”. Una de estas soluciones implica enviar filamentos conductores (nanocables) al suelo para dispersar los electrones, pero detalles importantes de este proceso han eludido la comprensión de los biofísicos.

Investigadores en Universidad de Yale, Nosotros y Universidad NOVA Lisboa en Portugal han descubierto que para las bacterias del género geobacteria, una sola familia de proteínas actúa como una serie de "enchufes" de conexión eléctrica para cargar estos nanocables microbianos. El hallazgo simplifica enormemente el modelo de cómo estas bacterias exportan electrones, y el equipo dice que esta "maquinaria de cableado mínima" puede ser común entre las especies bacterianas.

Las bacterias que viven en el suelo tienen dos formas de donar los electrones que producen a aceptores de electrones externos. El primero implica transferir electrones a los minerales del suelo y se conoce como transferencia de electrones extracelulares (EET). La segunda, la transferencia directa de electrones entre especies (DIET), involucra especies asociadas. Ambos procesos son vitales para la capacidad de los microbios de sobrevivir y formar comunidades, pero pueden ser ineficientes. A las bacterias les gusta geobacteria Por lo tanto, han evolucionado para producir nanocables conductores que facilitan una EET más rápida y de largo alcance.

Cinco proteínas

La familia de proteínas la Yale–NOVA El equipo identificado como clave para el funcionamiento de estos nanocables contiene cinco proteínas. Todos ellos residen en el espacio entre la membrana interna y externa de la bacteria (el periplasma bacteriano) y se conocen como citocromo periplásmico ABCDE (PpcA-E). Estas proteínas inyectan electrones en filamentos de superficies bacterianas que actúan como nanocables, creando una conexión eléctrica para la "respiración del metal". geobacteria.

Esta conexión eléctrica permite geobacteria transferir el exceso de electrones producido durante el metabolismo a los minerales del suelo sin necesidad de intermediarios, explica Yale. Nikhil Malvankar, quien codirigió el estudio con Carlos Salgueiro at NOVA. En esencia, las proteínas actúan como tapones dentro de una “red eléctrica” natural basada en el suelo. Según los investigadores, esta red puede ser responsable de permitir que muchos tipos de microbios sobrevivan y mantengan la vida.

Pistones microscópicos empujan filamentos hechos de citocromos

Aunque los filamentos bacterianos se observaron por primera vez en 2002, los científicos inicialmente pensaron que estaban formados por las llamadas proteínas pili ("pili" significa "pelos" en latín). Muchas bacterias tienen pelos en su superficie y los datos genéticos sugirieron que estos filamentos parecidos a pelos podrían desempeñar un papel similar en Geobacteriasr, dice Malvankar. En 2021, sin embargo, los investigadores del laboratorio de Malvankar resolvieron la estructura atómica de los pili y demostraron que, en cambio, actúan como pistones que empujan filamentos formados por citocromos. Además, las estructuras atómicas de los citocromos conocidas como OmcS y OmcZ incluyen una cadena de moléculas hemo que contienen metales y que transportan electrones (en rojo en la imagen de arriba).

Si bien estas estructuras atómicas explican cómo los nanocables transportan electrones, la conexión entre los nanocables y la superficie de las bacterias sigue siendo un misterio, añade. Esto se debe a que la mayoría de las superficies de las células no son conductoras de electricidad.

"Se pensaba que otra familia de proteínas incrustadas en la membrana bacteriana, llamadas citocromos porínicos, era la responsable de esta conexión, a pesar de que las bacterias eran capaces de transmitir electricidad incluso en su ausencia", explica Malvankar. “La presencia de proteínas periplásmicas que transfieren electrones a nanocables elimina la necesidad de portadores de electrones intermedios y explica cómo las células transmiten electrones a una velocidad notablemente rápida (un millón de electrones por segundo), a pesar de que los electrones en las proteínas pueden moverse a velocidades al menos 10 veces mayores. Más lento."

Resolviendo la relación entre PpcA-E y OmcS

Los investigadores comenzaron midiendo la energía de los electrones en OmcS. Descubrieron que era lo mismo que en PpcA-E, cuyo miembro del equipo Catalina Shipps "En el momento de las primeras mediciones en OmcS (en 0.1), no sabíamos que OmcS formaba nanocables", dice Shipps, quien realizó esta parte del trabajo. . "Estas mediciones anteriores se realizaron tratando los citocromos como no filamentosos, algo que podría explicar esta gran discrepancia".

En 2015, Salgueiro y sus colegas de NOVA plantearon la hipótesis de que los PpcA-Es podrían transferir electrones a OmcS. Sin embargo, probar esta hipótesis no fue factible en ese momento debido a la dificultad para obtener nanocables de OmcS purificados. Malvankar dice que el hallazgo de Shipps amplió el panorama al sugerir que PpcA-E podría donar electrones directamente a OmcS, algo que otro miembro del equipo, Vishok Srikanth, propuso tras notar que OmcS y PpcA-E permanecen juntas cuando se extraen de bacterias. "Todos estos resultados nos llevaron a proponer que PpcA-E podría pasar electrones a nanocables", afirma. Luego, los dos grupos confirmaron su hipótesis mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear.

"Nuestro descubrimiento simplifica enormemente el modelo de cómo las bacterias exportan electrones al superar el lento flujo de electrones entre proteínas individuales", dice Malvankar. Mundo de la física. “El descubrimiento por parte de otro de los miembros de nuestro equipo, Cong Shen, que esta familia de proteínas es evolutiva y se conserva en muchas especies, no solo geobacteria, significa que esta mínima maquinaria de cableado podría ser ubicua en muchas bacterias”.

Los investigadores, que informan sobre su trabajo en Nature Communications, ahora están diseñando el mecanismo recién descubierto en bacterias que son importantes para el clima o capaces de producir biocombustibles. El objetivo es ayudar a que estos organismos beneficiosos crezcan más rápido. "También estamos trabajando en cómo se carga otro nanocable del citocromo OmcZ e identificando el papel de los citocromos porinas en estos procesos", dice Malvankar.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/