La scoperta di un fondamentale, proprietà precedentemente sconosciuta dei nanofili microbici nel batterio Geobacter sulfurreducens che consente il trasporto di elettroni su lunghe distanze potrebbe rivoluzionare la nanotecnologia e la bioelettronica, afferma un team di fisici e microbiologi dell'Università del Massachusetts Amherst.

I loro risultati sono stati riportati nel numero anticipato online del 7 agosto di Nanotecnologia della natura potrebbe un giorno portare a prezzi più bassi, nanomateriali non tossici per biosensori ed elettronica a stato solido che si interfacciano con sistemi biologici.

Il microbiologo capo Derek Lovley con i fisici Mark Tuominen, Nikhil Malvankar e colleghi, diciamo reti di filamenti batterici, noti come nanofili microbici perché conducono elettroni lungo la loro lunghezza, può spostare le cariche con la stessa efficienza delle nanostrutture metalliche organiche sintetiche, e lo fanno a distanze notevoli, migliaia di volte la lunghezza del batterio.

Reti di nanofili microbici che scorrono attraverso biofilm, che sono aggregati coesivi di miliardi di cellule, conferiscono a questo materiale biologico una conduttività paragonabile a quella che si trova nei polimeri conduttori sintetici, comunemente usati nell'industria elettronica.

Loveley dice, "La capacità dei filamenti proteici di condurre gli elettroni in questo modo è un cambiamento di paradigma in biologia e ha ramificazioni per la nostra comprensione dei processi microbici naturali, nonché implicazioni pratiche per la pulizia ambientale e lo sviluppo di fonti di energia rinnovabile".

La scoperta rappresenta un cambiamento fondamentale nella comprensione dei biofilm, Malvankar aggiunge. "In questa specie, il biofilm contiene proteine ​​che si comportano come un metallo, elettroni che conducono su una distanza molto lunga, fondamentalmente per quanto è possibile estendere il biofilm".

Tuomini, il fisico principale, aggiunge, "Questa scoperta non solo propone un nuovo importante principio in biologia, ma anche nella scienza dei materiali. Ora possiamo studiare una gamma di nuovi nanomateriali conduttori che vivono, naturale, non tossico, più facile da produrre e meno costoso di quello artificiale. Potrebbero persino consentirci di utilizzare l'elettronica in acqua e in ambienti umidi. Apre interessanti opportunità per applicazioni biologiche ed energetiche che prima non erano possibili".

I ricercatori riferiscono che questa è la prima volta che è stata osservata una conduzione di carica elettrica simile a quella metallica lungo un filamento proteico. In precedenza si pensava che tale conduzione richiedesse un meccanismo che coinvolge una serie di altre proteine ​​note come citocromi, con elettroni che fanno brevi salti dal citocromo al citocromo. Al contrario, il team di UMass Amherst ha dimostrato una conduzione a lungo raggio in assenza di citocromi. I filamenti di Geobacter funzionano come un vero filo.

In natura, Geobacter usa i suoi nanofili microbici per trasferire elettroni su ossidi di ferro, minerali naturali simili alla ruggine nel suolo, che per Geobacter assolvono alla stessa funzione dell'ossigeno per gli esseri umani. "Ciò che Geobacter può fare con i suoi nanofili è come respirare attraverso un boccaglio lungo 10 chilometri, "dice Malvankar.

Il gruppo UMass Amherst aveva proposto in un articolo del 2005 su Nature che i nanofili di Geobacter potrebbero rappresentare una nuova proprietà fondamentale in biologia, ma non avevano un meccanismo, quindi sono stati accolti con notevole scetticismo. Per continuare a sperimentare, Lovley e colleghi hanno approfittato del fatto che in laboratorio Geobacter crescerà su elettrodi, che sostituiscono gli ossidi di ferro. Sugli elettrodi, i batteri producono spessore, biofilm elettricamente conduttivi. In una serie di studi con ceppi geneticamente modificati, i ricercatori hanno scoperto che la conduttività metallica nel biofilm potrebbe essere attribuita a una rete di nanofili che si diffondono in tutto il biofilm.

Queste strutture speciali sono sintonizzabili in un modo mai visto prima, hanno scoperto i ricercatori di UMass Amherst. Tuominen sottolinea che è ben noto nella comunità delle nanotecnologie che le proprietà dei nanofili artificiali possono essere modificate alterando l'ambiente circostante. L'approccio naturale di Geobacter è unico nel consentire agli scienziati di manipolare le proprietà conduttrici semplicemente cambiando la temperatura o regolando l'espressione genica per creare un nuovo ceppo, Per esempio. Malvankar aggiunge che introducendo un terzo elettrodo, un biofilm può agire come un transistor biologico, può essere acceso o spento applicando una tensione.

Un altro vantaggio offerto da Geobacter è la sua capacità di produrre materiali naturali più ecologici e un po' meno costosi di quelli artificiali. Molti dei materiali nanotecnologici odierni sono costosi da produrre, molti richiedono elementi rari, dice Tuominen. Geobacter è una vera alternativa naturale. "Come qualcuno che studia i materiali, Vedo i nanofili in questo biofilm come un nuovo materiale, uno che si dà il caso che sia fatto dalla natura. È eccitante che possa colmare il divario tra l'elettronica a stato solido e i sistemi biologici. È biocompatibile in un modo che non abbiamo mai visto prima".

Lovley scherza, "Stiamo fondamentalmente facendo l'elettronica con l'aceto. Non può essere molto più economico o più 'verde' di così".

Finalmente, questa è una storia di collaborazione interdisciplinare, che è molto più difficile da realizzare di quanto sembri, Lovley dice. "Siamo stati molto fortunati ad avere finanziamenti flessibili dall'Office of Naval Research, il Dipartimento di Energia e la National Science Foundation che ci hanno permesso di seguire alcune intuizioni. Anche, ci è voluto uno studente di dottorato in fisica abbastanza coraggioso da passare alla microbiologia per lavorare con qualcosa di umido e viscido." Quello studente, Nikhil Malvankar, ora è un ricercatore post-dottorato che con Lovley e Tuominen continuerà a esplorare ciò che conferisce ai filamenti proteici di Geobacter le loro proprietà elettriche uniche.