L'affermazione del microbiologo Derek Lovley e dei colleghi dell'Università del Massachusetts Amherst secondo cui il microbo Geobacter produce minuscoli fili elettrici, chiamati nanofili microbici, è stato impantanato in polemiche per un decennio, ma i ricercatori affermano che un nuovo studio collaborativo fornisce prove più forti che mai a sostegno delle loro affermazioni.

I fisici di UMass Amherst che lavorano con Lovley e colleghi riferiscono nell'attuale numero di Nanotecnologia della natura che hanno usato una nuova tecnica di imaging, microscopia a forza elettrostatica (EFM), risolvere il dibattito biologico con prove della fisica, mostrando che le cariche elettriche si propagano effettivamente lungo i nanofili microbici proprio come fanno nei nanotubi di carbonio, un materiale artificiale altamente conduttivo.

I fisici Nikhil Malvankar e Sibel Ebru Yalcin, con il professore di fisica Mark Tuominen, confermato la scoperta utilizzando EFM, una tecnica che può mostrare come gli elettroni si muovono attraverso i materiali. "Quando abbiamo iniettato elettroni in un punto dei nanofili microbici, l'intero filamento si illuminò mentre gli elettroni si propagavano attraverso il nanofilo, "dice Malvankar.

Yalcin, ora al Pacific Northwest National Lab, aggiunge, "Questa è la stessa risposta che vedresti in un nanotubo di carbonio o in altri nanofilamenti sintetici altamente conduttivi. Anche le densità di carica sono comparabili. Questa è la prima volta che l'EFM è stato applicato alle proteine ​​biologiche. Offre molte nuove opportunità in biologia. "

Lovley afferma che la capacità della corrente elettrica di fluire attraverso i nanofili microbici ha importanti implicazioni ambientali e pratiche. "Le specie microbiche comunicano elettricamente attraverso questi fili, condividere energia in processi importanti come la conversione dei rifiuti in gas metano. I nanofili consentono a Geobacter di vivere su ferro e altri metalli nel terreno, cambiando significativamente la chimica del suolo e giocando un ruolo importante nella pulizia ambientale. I nanofili microbici sono anche componenti chiave nella capacità di Geobacter di produrre elettricità, una nuova capacità che viene adattata per progettare sensori microbici e dispositivi di calcolo biologico".

Riconosce che c'è stato un sostanziale scetticismo sul fatto che i nanofili di Geobacter, che sono filamenti proteici, potrebbe condurre elettroni come un filo, un fenomeno noto come conduttività di tipo metallico. "Lo scetticismo è buono nella scienza, ti fa lavorare di più per valutare se ciò che proponi è corretto, " Fa notare Lovley. "È sempre più facile capire qualcosa se puoi vederlo. Dott. Malvankar e Yalcin hanno trovato un modo per visualizzare la propagazione della carica lungo i nanofili che è così elegante che persino un biologo come me può facilmente afferrare il meccanismo".

I biologi sanno da anni che nei materiali biologici, gli elettroni si muovono tipicamente saltando lungo discreti gradini biochimici che possono contenere i singoli elettroni. Al contrario, gli elettroni nei nanofili microbici sono delocalizzati, non associato a una sola molecola. Questo è noto come conduttività metallica perché gli elettroni sono condotti in modo simile a un filo di rame.

Malvankar, che ha fornito la prima prova della conduttività simile al metallo dei nanofili microbici nei laboratori di Lovley e Tuominen nel 2011, dice, "La conduttività di tipo metallico dei nanofili microbici sembrava chiara da come cambiava con temperature o pH diversi, ma c'erano ancora molti dubbiosi, soprattutto tra i biologi".

Per aggiungere ulteriore supporto alla loro ipotesi, Il laboratorio di Lovley ha alterato geneticamente la struttura dei nanofili, rimuovendo gli amminoacidi aromatici che forniscono gli elettroni delocalizzati necessari per la conduttività di tipo metallico, conquistare più scettici. Ma EFM fornisce la finale, prove chiave, dice Malvankar.

"Le nostre immagini mostrano che le cariche scorrono lungo i nanofili microbici anche se sono proteine, ancora nel loro stato originario attaccati alle cellule. Vedere per credere. Essere in grado di visualizzare la propagazione della carica nei nanofili a livello molecolare è molto soddisfacente. Mi aspetto che questa tecnica abbia un impatto futuro particolarmente importante sulle molte aree in cui la fisica e la biologia si intersecano", aggiunge.

Tuominen dice, "Questa scoperta non solo propone un nuovo importante principio in biologia, ma anche nella scienza dei materiali. Amminoacidi naturali, se disposti correttamente, possono propagare cariche simili a conduttori molecolari come i nanotubi di carbonio. Apre opportunità entusiasmanti per la nanoelettronica a base di proteine ​​che prima non era possibile".

I nanofili microbici di Lovley e colleghi sono un potenziale componente elettronico "verde", da fonti rinnovabili, materiali non tossici. Rappresentano anche una nuova parte nel crescente campo della biologia sintetica, lui dice. "Ora che abbiamo capito meglio come funzionano i nanofili, e hanno dimostrato che possono essere manipolati geneticamente, sembra possibile ingegnerizzare "microbi elettrici" per una varietà di applicazioni".

Un'applicazione attualmente in fase di sviluppo sta trasformando Geobacter in sensori elettronici per rilevare i contaminanti ambientali. Un altro sono i computer microbiologici basati su Geobacter. Questo lavoro è stato sostenuto dall'Ufficio di ricerca navale, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e la National Science Foundation.