“Nanodraden” geproduceerd door Geobacter als reactie op een elektrisch veld dat wordt toegepast op biofilms die elektriciteit produceren. Deze nanodraden zijn samengesteld uit cytochroom OmcZ en vertonen een 1000 keer hogere geleidbaarheid en 3 keer hogere stijfheid dan de nanodraden van cytochroom OmcS, belangrijk in natuurlijke omgevingen, waardoor bacteriën elektronen kunnen transporteren die meer dan 100 keer hun grootte hebben. Credits: Sibel Ebru Yalcin. Ontwerp: Ella Maru Studio
Versnelde klimaatverandering is een grote en acute bedreiging voor het leven op aarde. Stijgende temperaturen worden veroorzaakt door microben die 50% atmosferisch methaan produceren, dat 30 keer krachtiger is dan CO2 bij het vasthouden van warmte. Deze verhoogde temperaturen versnellen ook de microbiële groei en produceren zo meer broeikasgassen dan door planten kunnen worden gebruikt, waardoor het vermogen van de aarde om als koolstofput te functioneren wordt verzwakt en de temperatuur op aarde verder stijgt.
Een mogelijke oplossing voor deze vicieuze cirkel zou een ander soort microben kunnen zijn die tot 80% van de methaanstroom uit oceaansedimenten opeten die de aarde beschermen. Maar ze zijn moeilijk te bestuderen in het laboratorium. In Natuurmicrobiologie, Yale-team, geleid door prof. Nikhil Malvankar en voormalig Ph.D. student Yangqi Gu, van Molecular Biophysics and Biochemistry aan het Microbial Sciences Institute, ontdekt verrassende draadachtige eigenschappen van een eiwit gemaakt door elektriciteitsproducerende Geobacter die gelijkenis vertoont met die van methaanetende microben.
Malvankar lab had eerder aangetoond dat deze eiwitdraad de hoogste geleidbaarheid vertoont die tot nu toe bekend is. Het stelt bacteriën in staat om het hoogst mogelijke tot nu toe gerapporteerde elektrische vermogen te produceren en legt uit hoe deze bacteriën kunnen overleven zonder zuurstofachtige membraan-verteerbare moleculen en gemeenschappen vormen die elektronen kunnen sturen van meer dan 100 keer de bacteriegrootte. Maar tot op heden had niemand ontdekt hoe ze gemaakt zijn en waarom ze zo geleidend zijn.
Met behulp van cryo-elektronenmicroscopie met hoge resolutie konden de onderzoekers de atomaire structuur van de nanodraad zien en ontdekken dat hemes dicht op elkaar gepakt zijn om elektronen extreem snel te verplaatsen met ultrahoge stabiliteit. Het team bouwde ook synthetisch nanodraden om uit te leggen hoe bacteriën op verzoek nanodraden maken.
“Het is mogelijk dat we deze draden kunnen gebruiken om elektriciteit op te wekken of om te begrijpen hoe methaanetende microben ze gebruiken om klimaatverandering tegen te gaan”, zei Malvankar.
Andere auteurs zijn Malvankar Lab-leden Matthew Guberman-Pfeffer, Vishok Srikant, Cong Shen, Yuri Londer, Fadel Samatey met medewerkers Victor Batista, Kallol Gupta en Fabian Giska.
Meer informatie:
Yangqi Gu, Structuur van Geobacter cytochroom OmcZ identificeert mechanisme van nanodraadassemblage en geleidbaarheid, Natuurmicrobiologie (2023). DOI: 10.1038/s41564-022-01315-5. www.nature.com/articles/s41564-022-01315-5
Tijdschrift informatie:
Natuurmicrobiologie
Aangeboden door Yale University