Il dibattito scientifico è stato acceso ultimamente sul fatto che i nanofili microbici, i pili elettrici specializzati del batterio anaerobico fangoso Geobacter sulfurreducens , possiedono veramente una conduttività simile al metallo, come affermano i suoi scopritori. Ma ora Derek Lovley, microbiologo dell'Università del Massachusetts Amherst, con il ricercatore post-dottorato Nikhil Malvankar e colleghi, affermano di aver risolto la controversia tra scienziati teorici e sperimentali escogitando una combinazione di nuovi esperimenti e una migliore modellazione teorica.

In una serie di articoli risalenti al 2011, Il gruppo di Lovley ha fornito diverse linee di prove sperimentali che Geobatteri pili conducono gli elettroni attraverso la stretta interazione di amminoacidi aromatici nella struttura dei filamenti proteici. Come spiega Malvankar, "Gli elettroni scorrono come in un filo di rame, da qui il termine conduttività di tipo metallico." Tuttavia, negli ultimi due anni molti gruppi di modellisti teorici hanno pubblicato articoli concludendo che i risultati di Lovley e Malvankar sono impossibili.

Ma, dice Loveley, "Secondo me, i dati sperimentali prevalgono sulla modellazione. Come disse il defunto fisico Richard Feynman, "Non importa quanto sia bella la tua teoria, non importa quanto sei intelligente. Se non è d'accordo con l'esperimento, è sbagliato.'"

Alla ricerca di dati ancora più sperimentali, Malvankar si recò al Brookhaven National Laboratory per due anni per valutare ulteriormente la struttura di Geobatteri pili con approcci sofisticati tra cui la microdiffrazione a raggi X di sincrotrone e la diffrazione a raggi X a curva oscillante. Ha trovato una spaziatura periodica di 3,2 angstrom di amminoacidi aromatici nel Geobatteri pili, molto più vicini di quanto previsto dai modelli teorici. I risultati appaiono nell'attuale numero della rivista mBio .

bella dice, "Negli esperimenti di Nikhil, vediamo una chiara firma dello stretto imballaggio degli amminoacidi aromatici. I pili non conduttivi mancano di questo. Anche, quando Nikhil acidificava il pili, vi è stato un aumento dell'impaccamento degli aromatici in proporzione all'aumento della loro conduttività. Questi risultati sono coerenti con il nostro concetto di conduttività di tipo metallico nei pili. Nessuno dei modelli che hanno respinto la nostra ipotesi era coerente con questi risultati".

Per comprendere meglio la mancanza di corrispondenza tra gli esperimenti e i modelli, Malvankar ha collaborato con Eric Martz, Professore emerito di UMass Amherst ed esperto di modelli proteici. Hanno scoperto che cambiare un semplice presupposto nella costruzione del modello pili ha cambiato drasticamente il risultato. Malvankar spiega, "I modelli precedenti iniziavano con un modello della struttura per Neisseria gonorrhoeae pili. Tuttavia, Geobatteri pili sono in realtà più strettamente imparentati con quelli di Pseudomonas aeruginosa . Il nostro modello si basa su Pseudomonas ."

Il modello di Malvankar prevede un denso confezionamento di amminoacidi aromatici coerente con i loro risultati sperimentali e l'ipotesi che Geobatteri pili possiedono una conduttività simile al metallo.

Martz avverte, "Non stiamo affermando che il nostro modello sia corretto al 100%. In effetti, siamo sicuri che non lo sia. Ma gli altri modelli semplicemente non possono spiegare i risultati sperimentali. Il nostro fa. Anche, la conduttività proviene da una proteina. Gli scienziati hanno sempre affermato che le proteine ​​non possono svolgere questa funzione. Abbiamo scoperto che non solo lo fanno, ma lo fanno anche bene. Questa è fondamentalmente una scoperta così interessante che gli scienziati dovranno prestare attenzione".

Questa scoperta, supportato da finanziamenti dell'Ufficio per la ricerca navale degli Stati Uniti, dovrebbe aiutare a ingegnerizzare altri batteri per produrre nanofili microbici con metodi di biologia sintetica. Per esempio, Il laboratorio di Lovley ha inventato una forma artificiale di fotosintesi in cui i microbi utilizzano l'elettricità rinnovabile per convertire l'anidride carbonica in combustibili e altri prodotti chimici organici. Lui dice, "Meglio capiamo come funzionano i nanofili microbici, the better our chances of optimizing the electrode-microbe electron exchange."

Malvankar adds, "There is also the opportunity to capitalize on the fundamental design principles that nature is teaching us to produce novel electronic materials in a sustainable way." In natura, Geobacter use their microbial nanowires to breathe; they transfer electrons onto iron oxides, natural rust-like minerals in soil, which serve the same function for these bacteria that oxygen does in humans. "What Geobacter can do with its nanowires is akin to breathing through a snorkel that's 10 kilometers long, " lui dice.

Others in Lovley's group have shown that Geobacter uses microbial nanowires to electrically communicate with other microbial species. This cooperative electron sharing is important in the conversion of organic wastes to methane, an effective bioenergy strategy. Nanowires are also key components of ongoing studies by Lovley's lab to build biocomputers and novel biosensors. The UMass Amherst team is now working on a "pili factory" to make purified Geobacter pili freely available to other researchers, to repeat these experiments or carry out other studies.