I microbiologi guidati da Derek Lovley dell'Università del Massachusetts Amherst, noto a livello internazionale per aver scoperto microfilamenti elettricamente conduttori o "nanofili" nel batterio Geobacter, annunciano in un nuovo articolo questo mese di aver scoperto strutture inaspettate in molte altre specie, ampliando notevolmente il campo di ricerca sui filamenti elettricamente conduttori. I dettagli vengono visualizzati online nel Giornale della Società Internazionale di Ecologia Microbica .

bella, che ha pubblicato il suo primo articolo che descrive Geobacter 30 anni fa, spiega, "I Geobacter hanno evoluto questi filamenti speciali con una subunità di base molto corta chiamata pilin che si assemblano per formare lunghe catene che assomigliano a una corda attorcigliata. La maggior parte dei batteri ha una subunità di base che è due o tre volte più lunga. Avere pili o e-pili elettricamente conduttivi. è un recente evento evolutivo in Geobacter, quindi l'ipotesi di lavoro era che questa capacità sarebbe stata trovata solo nei suoi parenti stretti."

Aggiunge, "È stato sorprendente per noi, e penso che molte persone saranno sorprese di apprendere, che il concetto che i microbi abbiano bisogno della subunità pilin corta per produrre e-pili è sbagliato. Abbiamo scoperto che alcuni pilin molto più grandi possono anche produrre e-pili e che la capacità di esprimere e-pili è sorta indipendentemente più volte nell'evoluzione di diversi gruppi microbici". un ruolo importante nel ciclo biogeochimico del carbonio e dei metalli e hanno potenziali applicazioni come materiali elettronici "verdi".

Loveley dice, "Questo è un grande sviluppo, perché ora il campo si allargherà. I microbiologi ora sanno che possono lavorare con altri microbi per studiare i filamenti elettricamente conduttivi. Abbiamo trovato una vasta gamma di microbi che hanno questo. Una cosa interessante che possiamo già segnalare è che alcuni dei nuovi batteri che abbiamo identificato hanno filamenti fino a 10 nanometri di diametro. I filamenti di Geobacter sono molto sottili, solo tre nanometri di diametro. Per la costruzione di dispositivi elettronici come sensori a nanofili, è molto più facile manipolare i fili più grassi. Sarà anche più semplice chiarire le caratteristiche strutturali che conferiscono conduttività con i fili più spessi perché è più facile risolverne la struttura".

Spera che la scoperta di ulteriori nanofili proteici elettricamente conduttivi contribuirà a un "verde, " rivoluzione sostenibile nella produzione di elettronica. "Il nostro attuale sistema di utilizzo di una notevole energia e risorse rare per produrre elettronica, poi buttarli nelle discariche di rifiuti tossici all'estero, non è sostenibile, " Dice Lovley. La produzione di materiali biologici elettronici con microbi può essere ottenuta senza prodotti chimici aggressivi e richiede input energetici inferiori, fa notare. "E i microbi mangiano a buon mercato. Nel caso di Geobacter, fondamentalmente li nutriamo con l'aceto."

Lovley e colleghi riferiscono che "ceppi di G. sulfurreducens che producono elevate densità di corrente, che sono possibili solo con e-pili, sono stati ottenuti con geni pilin di Flexistipes sinusarabici, Calditerrivibrio nitroreducens e Desulfurivibrio alkaliphilus. La conduttanza dei pili di questi ceppi era paragonabile alla G. sulfurreducens e-pili nativa."

Negli ultimi anni, i microbiologi e i fisici di UMass Amherst che lavorano con le specie Geobacter hanno sviluppato un'ipotesi su come i suoi e-pili siano in grado di condurre corrente elettrica basata sulla presenza di amminoacidi aromatici nelle subunità piliniche. Hanno usato questa caratteristica - un'alta densità di amminoacidi aromatici e una mancanza di sostanziali lacune senza aromatici lungo le catene piliniche - per selezionare geni pili candidati da altri microrganismi, compresi molti microrganismi difficili da coltivare.

L'uso di questa tecnica "rivela nuove fonti per materiali elettronici a base biologica e suggerisce che un'ampia diversità filogenetica di microrganismi può utilizzare e-pili per lo scambio di elettroni extracellulari, " riferiscono. Per testare e convalidare i risultati dello screening biologico, hanno preso i geni pilin nativi di Geobacter e li hanno sostituiti con i geni di Calditerrivibrio, Per esempio, poi mise questo organismo geneticamente modificato in una cella a combustibile microbica per vedere se avrebbe prodotto corrente elettrica. In diversi casi, loro fecero, Lovley dice.

Lovley ha scoperto Geobacter quando è stato assunto dall'U.S. Geological Survey per condurre il suo primo progetto di microbiologia nella qualità dell'acqua nel fiume Potomac, in particolare per capire quali microbi stavano influenzando le fioriture algali alimentate da fosfati nei sedimenti fluviali. Egli ricorda, "La maggior parte degli scienziati, compresi microbiologi, pensava che una reazione chimica fosse responsabile delle trasformazioni del ferro nel fango che rilasciava fosfati associati come inquinamento nell'acqua. Però, quando abbiamo approfondito questo aspetto, era chiaro che i microrganismi erano coinvolti e questo ci ha portato alla scoperta di Geobacter."

Negli anni, altre caratteristiche uniche di Geobacter hanno portato a molti "primi della microbiologia" nei campi della biogeochimica, biorisanamento ed energie rinnovabili. Loveley dice, "Ora Geobacter ci ha attirato nell'elettronica. Sono entusiasta di scoprire se questi nuovi nanofili proteici elettricamente conduttivi di altri batteri potrebbero funzionare anche meglio dei cavi Geobacter per applicazioni come i sensori biomedici. Il semplice metodo di screening descritto nel nostro articolo sta identificando geni per fili conduttivi in ​​diversi microrganismi che possono fare affidamento sulla segnalazione elettrica per funzioni uniche di significato biomedico e ambientale".