Los científicos han encontrado una molécula que permite que las bacterias'exhalen' electricidad

Para las bacterias sin boca y sin pulmones, respirar es un poco más complicado que para los humanos.

Inhalamos oxigeno y exhalamos dióxido de carbono; Geobacter – un género de bacterias ubicuo que habita en el agua subterránea – traga desechos orgánicos y ‘exhala’ electrones, generando un pequeña corriente eléctrica en el proceso.

Esos electrones de desecho siempre necesitan un lugar adonde ir (generalmente a un mineral subterráneo abundante como planchar óxido), y Geobacter tienen una herramienta poco convencional para asegurarse de que lleguen allí.

“Geobacter respira a través de lo que es esencialmente un tubo de respiración gigante, cientos de veces su tamaño”, dijo a WordsSideKick.com Nikhil Malvankar, profesor asistente del Instituto de Ciencias Microbianas de la Universidad de Yale en Connecticut.

Ese “snorkel” se llama nanoalambre. Aunque estos diminutos filamentos conductores son 100.000 veces más pequeños que el ancho de un cabello humano, son capaces de transportar electrones de cientos a miles de veces la longitud de un individuo. Geobacter cuerpo del microbio.

Gracias a esta adaptación, Geobacter son algunos de los respiradores más impresionantes de la Tierra. (“No puedes exhalar 1,000 pies [300 meters] frente a ti, ¿puedes? “, dijo Malvankar).

En un momento dado, miles de millones de bacterias vibran con electricidad debajo del lecho marino. Ahora, en un nuevo estudio publicado el 17 de agosto en la revista Biología química de la naturaleza, Malvankar y sus colegas han descubierto cómo combinar esa energía en una potente red eléctrica microbiana.

Utilizando técnicas de microscopía avanzadas, los investigadores han descubierto la “molécula secreta” que permite Geobacter respirar en distancias tremendamente largas nunca antes vistas en bacterias.

El equipo también encontró que, al estimular colonias de Geobacter Con un campo eléctrico, los microbios conducen electricidad 1.000 veces más eficientemente que en su entorno natural.

Comprender estas adaptaciones eléctricas innatas podría ser un paso crucial en la transformación Geobacter colonias en baterías vivas que respiran, dijeron los investigadores.

“Creemos esto [discovery] podría usarse para fabricar dispositivos electrónicos a partir de las bacterias que se encuentran debajo de los pies “, dijo Malvankar.

Un microbio más impactante

En casa, en las profundidades del suelo, en un suelo húmedo y falto de oxígeno, Geobacter pueden sobrevivir en entornos hostiles que pocos otros microbios pueden sobrevivir, dijeron los autores del estudio.

Nanocables, que les permiten respirar en ausencia de oxígeno, son cruciales para mantener Geobacter microbios vivos en el suelo, donde los aceptores de electrones como el óxido de hierro rara vez están a más de unas millonésimas de metro de distancia.

Sin embargo, las colonias de Geobacter cultivadas en el laboratorio no siempre tienen el lujo de vivir cerca de abundantes minerales.

En investigación previa, Malvankar y sus colegas encontraron que cultivados en laboratorio Geobacter sulfurreducens Los microbios muestran otro truco de supervivencia inteligente cuando se exponen a un pequeño electrodo o un disco que conduce la electricidad.

Estimulados por el campo eléctrico, los microbios se ensamblan en densos biopelículas – Montones interconectados de cientos de microbios individuales, que mueven electrones a través de una única red compartida.

“Se apilan como apartamentos de gran altura, cientos de pisos de altura”, dijo Malvankar. “Y todos pueden compartir la misma red eléctrica, descargando electrones constantemente”.

La gran pregunta que molestó a Malvankar y sus colegas es cómo los microbios en el “piso 100 del rascacielos”, como él dijo, son capaces de disparar electrones hasta el fondo de la pila y luego a través de un nanocable. – exhalando electrones a una distancia de miles de veces la longitud del cuerpo del microbio original.

Tales distancias son “previamente invisibles” en la respiración microbiana, dijo Malvankar, y enfatizan cuán únicas Geobacter son cuando se trata de sobrevivir en entornos hostiles.

Para descubrir los secretos del nanoalambre, los autores del nuevo estudio analizaron cultivos de Geobacter utilizando dos técnicas de microscopía de vanguardia.

El primero, llamado microscopía de fuerza atómica de alta resolución, recopiló información detallada sobre la estructura de los nanocables tocando su superficie con una sonda mecánica extremadamente sensible.

“Es como leer Braille, pero las protuberancias son una mil millonésima parte de un metro”, dijo a WordsSideKick.com la autora principal del estudio, Sibel Ebru Yalcin, científica investigadora del Instituto de Ciencias Microbianas de Yale.

A través de la segunda técnica, llamada nanoespectroscopia infrarroja, los investigadores identificaron moléculas específicas en los nanocables según la forma en que se dispersaban en infrarrojo ligero. Con estos dos métodos, los investigadores vieron la “huella digital única” de cada aminoácido en las proteínas que componen Geobacter nanocables de firma, dijo Yalcin.

El equipo descubrió que, cuando es estimulado por un campo eléctrico, Geobacter producir un tipo de nanoalambre previamente desconocido hecho de una proteína llamada OmcZ.

Hecho de pequeños bloques de construcción metálicos llamados hemes, este proteína creó nanocables que conducían la electricidad 1.000 veces más eficientemente que los nanocables típicos Geobacter crear en el suelo, permitiendo a los microbios enviar electrones a distancias sin precedentes.

“Se sabía que las bacterias pueden producir electricidad, pero nadie conocía la estructura molecular”, dijo Malvankar. “Finalmente, hemos encontrado esa molécula”.

Viviendo, respirando baterías

Los investigadores han estado usando Geobacter colonias para alimentar pequeños dispositivos electrónicos durante más de una década. Una gran ventaja de estas llamadas pilas de combustible microbianas es su longevidad.

Las bacterias pueden repararse y reproducirse casi indefinidamente, creando una carga eléctrica pequeña pero constante; en uno Experimento de la Marina de EE. UU., realizado en 2008, los investigadores utilizaron Geobacter pila de combustible para alimentar una pequeña boya meteorológica en el río Potomac de Washington, DC durante más de nueve meses sin mostrar signos de debilitamiento.

Sin embargo, la carga proporcionada por estas celdas de combustible es extremadamente pequeña (la boya de la Marina funcionaba con unos 36 milivatios, o milésimas de vatio, de potencia), lo que limita severamente los tipos de componentes electrónicos que pueden alimentar.

Con esta nueva investigación, los científicos ahora saben cómo manipular nanocables microbianos para hacerlos más fuertes y conductores. Esta información podría hacer que la producción de bioelectrónica sea más barata y más fácil, dijo Malvankar, con la esperanza de marcar el comienzo de una nueva generación de baterías alimentadas por bacterias y respetuosas con el medio ambiente.

Todavía estamos muy lejos de cargar nuestros iPhones con un puñado de Geobacter, agregó, pero el poder de la red eléctrica microscópica debajo de nuestros pies se volvió un poco más fácil de entender.

Este artículo fue publicado originalmente por Ciencia viva. Leer el articulo original aquí.

Fuente

DEJA UNA RESPUESTA

Por favor ingrese su comentario!
Por favor ingrese su nombre aquí