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Los científicos encuentran una 'molécula secreta' que permite que las bacterias exhalen electricidad

La electricidad conducida por los nanocables de Geobacter se puede utilizar para alimentar pequeños dispositivos electrónicos, como muestra esta ilustración.
Imagen: © Ella Maru Studio

Para las bacterias sin boca y sin pulmones, respirar es un poco más complicado que para los humanos. Inhalamos oxígeno y exhalamos dióxido de carbono ; Geobacter - un género de bacterias ubicuo que habita en el agua subterránea - traga desechos orgánicos y "exhala" electrones, generando una pequeña cantidad corriente eléctrica en el proceso.

Esos electrones de desecho siempre necesitan un lugar adonde ir generalmente en un mineral subterráneo abundante como hierro óxido y Geobacter tenga una herramienta poco convencional para asegurarse de que lleguen allí.

" Geobacter respire a través de lo que es esencialmente un esnórquel gigante, cientos de veces su tamaño ", dijo a Rhythm89 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 a 1000 pies [300 metros] frente a ti, ¿verdad?", Dijo Malvankar.

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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 bacteria . El equipo también encontró que, al estimular colonias de Geobacter con un campo eléctrico, los microbios conducen electricidad 1000 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 que este [descubrimiento] podría usarse para fabricar productos electrónicos a partir de las bacterias debajo de los pies", dijo Malvankar.

cientos de Geobacter las bacterias se agrupan para que puedan verter el exceso de electrones en 'tubos gigantes' llamados nanocables rojo. Crédito de la imagen: Yangqi Gu y Vishok Srikanth

Un microbio más impactante

En casa, bajo tierra en un suelo empapado y sin oxígeno Geobacter puede sobrevivir en entornos hostiles que pocos otros microbios pueden, 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, Geobacter las colonias cultivadas en el laboratorio no siempre tienen el lujo de vivir cerca de abundantes minerales.

adentro investigación previa , Malvankar y sus colegas encontraron que cultivado 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 salirun nanoalambre: exhala electrones de manera efectiva a una distancia 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.

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Para descubrir los secretos del nanoalambre, los autores del nuevo estudio analizaron cultivos de cultivos de laboratorio Geobacter utilizando dos técnicas de microscopía de vanguardia. La primera, llamada microscopía de fuerza atómica de alta resolución, recopiló información detallada sobre la estructura de los nanocables al tocar su superficie con una sonda mecánica extremadamente sensible.

"Es como leer Braille, pero los golpes son una mil millonésima parte de un metro", dijo a Rhythm89 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 infrarrojos claro. Con estos dos métodos, los investigadores vieron la "huella digital única" de cada aminoácido en las proteínas que lo 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 a proteína llamado OmcZ. Hecho de pequeños bloques de construcción metálicos llamados hemes, esta proteína creó nanocables que conducían la electricidad 1.000 veces más eficientemente que los nanocables típicos Geobacter crear en el suelo, permitiendo que los microbios envíen 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".

baterías vivas que respiran

los investigadores han estado usando Geobacter colonias para alimentar pequeños dispositivos electrónicos durante más de una década. Una gran ventaja de estas llamadas células de combustible microbianas es su longevidad. Las bacterias pueden repararse y reproducirse casi indefinidamente, creando una pequeña pero constante carga eléctrica; en una experimento de la Marina de los EE. UU. , realizado en 2008, los investigadores utilizaron a 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 pilas 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 electrónica que pueden alimentar.

Con esta nueva investigación, los científicos ahora saben cómo manipular los 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 productos ecológicos., baterías alimentadas por bacterias.

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.

Publicado originalmente en Rhythm89.

  • TorbjornLarsson
    "Colonias" es un poco flojo, estas cosas para grapas multicelulares donde la pérdida de función mataría la mayor parte de la grapa.
    Responder
  • Priyanka Garai
    ¿Es la vida una reacción redox?

    chemicalgorithms.blogspot.com
    Responder
  • Priyanka Garai
    shorturl.at/avxJV
    Responder
  • Teofrasto
    TorbjornLarsson dijo :
    "Colonias" es un poco suelto, estas cosas para grapas multicelulares donde la pérdida de función mataría la mayor parte de la grapa.
    Prefiero, "agregado colonial sintrófico" para ser más preciso, pero encuentro que la biopelícula electroadaptativa es más que suficiente.
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  • Teofrasto
    Priyanka Garai dijo :
    ¿La vida es una reacción redox?

    chemicalgorithms.blogspot.com
    Esa es una gran pregunta. Es posible que desee comenzar con Erwin Schrodinger, "¿Qué es la vida?" Por lo general, defino la vida como información contenida en un cuasicristal metaestable. En el libro anterior, Schrodinger, el héroe de la mecánica de ondas cuánticas, "predijo"el descubrimiento del ADN. Sin embargo, muchos no se dan cuenta de que él no solo anticipó formas de "vida" orientadas al ADN, sino que también previó mucho más y nos mostró el camino hacia una comprensión más profunda del concepto mismo de vida.
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