Чому ворсинки бактерій проводять струм
Електропровідність білкових виростів бактерії Geobacter sulfurreducens обумовлена тонкими особливостями їх будови.
Зазвичай білкові молекули і білкові надмолекулярної комплекси електричний струм не проводять. Однак і тут є винятки, і одне з них - пили, або ворсинки, бактерії Geobacter sulfurreducens. Пілямі називають довгі білкові структури, які сидять на поверхні бактеріальної клітини (через що бактерія виглядає досить волохатих) і виконують найрізноманітніші функції.
Мережа проводять білкових філаментів G. sulfurreducens (ілюстрація Anna Klimes і Ernie Carbone, UMass Amherst).
Кілька років тому дослідники виявили, що ворсинки G. sulfurreducens здатні проводити струм - по своїм довгим пілям G. sulfurreducens перекачує електрони іншим бактеріям, з якими живе в співтоваристві. Електропровідність бактеріальних ворсинок виявилася порівнянної з електропровідністю металів, передача струму відбувалася на досить великі за мірками бактерій відстані (на десятки мікрометрів), однак було зовсім незрозуміло, чому так відбувається - відповідно до моделі ворсинок G. sulfurreducens. ніякої струм вони проводити не були винні.
Загадку вдалося дозволити співробітникам Массачусетського університету в Амхерсті разом з колегами з Брукхейвенської національної лабораторії при Міністерстві енергетики США. Пили утворюються з білка пилина, безліч молекул якого з'єднуються в довгий комплекс, і, якщо ми спробуємо розглянути ворсинки ближче, то побачимо в них повторюються.
За допомогою рентгеноструктурних методів вдалося з'ясувати, що у які проводять ниток є важлива особливість - в їх структурі повторюється проміжок в 0,32 нм. А ось у штаму G. sulfurreducens. чиї пили втратили здатність проводити струм, такого повторюваного по довжині ворсинок 0,32-нанометрового зазору не було.
Крім того, непровідні пили були позбавлені амінокислот з ароматичними хімічними групами. Відомо, що в ароматичних сполуках (найпростішим і відомим з яких є бензол зі шкільного підручника) електронна щільність рівномірно розподілена по всьому атомам, що створює кільце; іншими словами, всі електрони, задіяні в створенні молекули, як би рівномірно розмазані по всій ароматичної групи.
При зближенні і перекривання електронних орбіталей двох ароматичних молекул електрони як би отримають в своє користування нову територію, на яку зможуть заходити порівняно безперешкодно. Якщо такі близько розташовані кільця вишикуються в ряд від точки А до точки Б, то між А і Б виникне електропровідність. Ароматичні групи стирчать на ворсинці G. sulfurreducens подібно поперечин гвинтових сходів, перекидаючи один одному електрони. Важливо тільки, щоб вони знаходилися на правильно відстані один щодо одного, і ось вищезгадані повторювані 0,32 нм в які проводять ворсинках G. sulfurreducens якраз це найправильніше відстань і є.
У статті в mBio також йдеться про те, в чому причина відомого феномена з провідними ворсинками - в більш ранніх експериментах їх електропровідність зростала чи не в 100 разів при закислення середовища. Виявилося, що при зменшенні pH з 10 до 2 (тобто при підвищенні кислотності) необхідні для електропровідності періодичні 0,32-нанометрові зазори в пілях ставав більш вираженим, і вони починали краще проводити струм.
Увага, яким користуються «електропровідні бактерії», цілком зрозуміло, адже їх пили - це готові нанопроводи, які можна дешево і швидко вирощувати в пробірці і потім збирати з них якусь наноелектроніку. Якщо пили геобактера доведуть свою ефективність, і якщо знайдуть спосіб ще якось їх поліпшити, то, можливо в недалекому майбутньому нас чекають гаджети на бактеріально-білкової основі.
Читайте також:
