Una nuova ricerca della Washington University di St. Louis spiega i processi cellulari che consentono a un microbo amante del sole di "mangiare" elettricità, trasferendo elettroni per fissare l'anidride carbonica e alimentare la sua crescita.

Guidati da Arpita Bose, assistente professore di biologia in Arti e Scienze, e Michael Guzman, un dottorato di ricerca candidato nel suo laboratorio, un team della Washington University ha mostrato come un ceppo naturale di Rhodopseudomonas palustris assorbe elettroni da sostanze conduttive come ossidi metallici o ruggine. Il lavoro è descritto in un articolo del 22 marzo sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Lo studio si basa sulla precedente scoperta di Bose che R. palustris TIE-1 può consumare elettroni da proxy di ruggine come elettrodi in bilico, un processo chiamato assorbimento di elettroni extracellulari. R. palustris è fototrofico, il che significa che utilizza l'energia della luce per eseguire determinati processi metabolici. La nuova ricerca spiega i pozzi cellulari dove questo microbo scarica gli elettroni che mangia dall'elettricità.

"Mostra chiaramente per la prima volta come questa attività - la capacità dell'organismo di mangiare elettricità - sia collegata alla fissazione dell'anidride carbonica, " disse Bose, un Packard Fellow che studia il metabolismo microbico e la loro influenza sul ciclo biogeochimico.

Questa conoscenza meccanicistica può aiutare a informare gli sforzi per sfruttare la capacità naturale del microbio di immagazzinare energia sostenibile o altre applicazioni di bioenergia, un potenziale che ha catturato l'attenzione del Dipartimento dell'Energia e del Dipartimento della Difesa.

" R. palustris ceppi possono essere trovati in luoghi selvaggi ed esotici come un ponte arrugginito a Woods Hole, Massachusetts da cui è stato isolato TIE-1, " ha detto Bose. "Davvero, puoi trovare questi organismi ovunque. Ciò suggerisce che l'assorbimento di elettroni extracellulari potrebbe essere molto comune".

Guzman ha aggiunto:"La sfida principale è che è un anaerobio, quindi è necessario coltivarlo in un ambiente che non ha ossigeno affinché possa raccogliere energia luminosa. Ma il rovescio della medaglia è che queste sfide vengono affrontate con molta versatilità in questo organismo che molti altri organismi non hanno".

Nel loro nuovo documento, i ricercatori hanno dimostrato che gli elettroni dell'elettricità entrano nelle proteine ​​della membrana che sono importanti per la fotosintesi. Sorprendentemente, quando hanno cancellato la capacità del microbo di fissare l'anidride carbonica, hanno osservato una riduzione del 90% della sua capacità di consumare elettricità.

"Vuole davvero riparare l'anidride carbonica usando questo sistema, " ha detto Bose. "Se glielo togli, questa capacità innata, semplicemente non vuole assorbire gli elettroni."

Ha detto che la reazione è simile in qualche modo a una batteria ricaricabile.

"Il microbo usa l'elettricità per caricare il suo pool redox, immagazzinando gli elettroni e rendendolo altamente ridotto, " ha detto Bose. "Per scaricarlo, la cellula riduce l'anidride carbonica. L'energia per tutto questo viene dalla luce del sole. L'intero processo continua a ripetersi, permettendo alla cellula di produrre biomolecole con nient'altro che elettricità, anidride carbonica e luce solare”.

Un team di tutta la Washington University ha superato una serie di ostacoli tecnici per completare questo studio. Mark Meacham della McKelvey School of Engineering ha aiutato a progettare e fabbricare i dispositivi microfluidici che hanno permesso ai ricercatori di affinare le attività che si svolgevano nelle cellule mentre i batteri si alimentavano da fonti di elettricità. Il team ha anche fatto affidamento sul supporto di collaboratori tra cui David Fike nel dipartimento di scienze della terra e planetarie, che ha aiutato Bose e Guzman a utilizzare la spettrometria di massa di ioni secondari per determinare come il microbo utilizza l'anidride carbonica.

La nuova ricerca risponde a domande scientifiche di base e offre molte opportunità per future applicazioni di bioenergia.

"Per molto tempo, le persone sanno che i microbi possono interagire con analoghi degli elettrodi nell'ambiente, cioè, minerali che sono anche carichi, " ha detto Guzman. "Ma nessuno ha davvero apprezzato come questo processo potesse essere fatto anche dai fotoautotrofi, come questi tipi di organismi che fissano il proprio carbonio e usano la luce per produrre energia. Questa ricerca colma una lacuna poco compresa nel campo".

Il laboratorio di Bose sta lavorando sull'utilizzo di questi microbi per produrre bioplastiche e biocarburanti.

"Speriamo che questa capacità di combinare elettricità e luce per ridurre l'anidride carbonica possa essere utilizzata per aiutare a trovare soluzioni sostenibili alla crisi energetica, " ha detto Bose.