Войти
Geobacter сераreducens и ее нанопроволоки Бактериальные нанопроволоки (также известные как микробные нанопроволоки) электрически проводящие придатки, производимые рядом бактерий в первую очередь (но не исключительно) из родов Geobacter и Shewanella. Проводящие нанопроволоки также были подтверждены в кислородной цианобактерии Synechocystis PCC6803 и термофильной метаногенной совместной культуре, состоящей из Pelotomaculum thermopropionicum и Methanothermobacter thermoautotrophicus.
Нанопроволоки Geobacter изначально считались модифицированными пилями, которые используются для установления соединений с конечными электронными рецепторами. Дальнейшие исследования показали, что нанопроволоки Geobacter состоят из уложенных друг на друга цитохромов, а именно OmcS и OmcZ. Эти наложенные друг на друга цитохромные нанопроволоки образуют цельный массив гемов, которые стабилизируют нанопроволоку посредством пи-стэкинга и обеспечивают путь для транспорта электронов. Виды рода Geobacter используют нанопровода для переноса электронов на внеклеточные акцепторы электронов (например, оксиды Fe (III)). Эта функция была обнаружена в результате исследования мутантов, нанопроволоки которых могли прикрепляться к железу, но не уменьшали его.
Однако Shewanella нанопроволоки не являются пили, а являются продолжением внешней мембраны. которые содержат цитохромы внешней мембраны декагема MtrC и OmcA. Сообщаемое присутствие цитохромов внешней мембраны и отсутствие проводимости в нанопроволоках от MtrC и OmcA-дефицитного мутанта напрямую подтверждают предложенный многоэтапный механизм перескока для транспорта электронов через нановолокна Shewanella.
Кроме того, нанопроволоки могут способствовать переносу электронов на большие расстояния через толстые слои биопленки. Соединяясь с другими клетками над ними, нанопроволоки позволяют бактериям, находящимся в бескислородных условиях, по-прежнему использовать кислород в качестве конечного акцептора электронов. Например, организмы рода Shewanella, как было замечено, образуют электропроводящие нанопроволоки в ответ на ограничение акцепторов электронов.
Биологически неясно, что подразумевается под существованием бактериальных нанопроволок. Нанопроволоки могут функционировать как проводники для переноса электронов между различными членами микробного сообщества.
В микробных топливных элементах (MFC), бактериальных нанопроводах генерировать электричество посредством внеклеточного транспорта электронов к аноду MFC. Было показано, что сети из нанопроволоки увеличивают выработку электроэнергии МФЦ с эффективной проводимостью на больших расстояниях. В частности, пили Geobacter Sourreducens обладают проводимостью, подобной металлической, и вырабатывают электричество на уровнях, сопоставимых с уровнями синтетических металлических наноструктур. Когда бактериальные штаммы подвергаются генетическим манипуляциям для ускорения образования нанопроволок, обычно наблюдается более высокий выход электричества. Покрытие нанопроволок оксидами металлов также способствует повышению электропроводности. Кроме того, эти нанопроволоки могут переносить электроны на расстояние до сантиметра. Передача электронов на большие расстояния через сеть пилей позволяет жизнеспособным клеткам, которые не находятся в прямом контакте с анодом, вносить вклад в поток электронов. Таким образом, повышенное текущее производство в MFC наблюдается в более толстых биопленках.
Валюта, производимая бактериальными нанопроводами, очень низкая. Плотность тока около 17 микроампер на квадратный сантиметр, напряжение около 0,5 В на пленке толщиной 7 микрометров.
Бактериальные нанопроволоки могут иметь значительные потенциальные применения в области биоэнергетики и биоремедиации. Электронный перенос между пилями Geobacter, диссимиляционной бактерии, восстанавливающей металлы, генерирует проводимость, которая стимулирует преобразование органических соединений в электричество в микробных топливных элементах. Биопленки, производимые колониями Geobacter, вносят большой вклад в общее производство биоэнергии. Они позволяют переносить электроны через проводящие пили на большее расстояние от анода. Фактически, выход биоэнергии может быть дополнительно увеличен за счет индукции экспрессии дополнительных генов нанопроволоки. Было показано, что штаммы Geobacter с повышенной экспрессией проводящих пилей образуют более проводящие биопленки, тем самым увеличивая общий выход электроэнергии.
Микробные нанопроволоки Shewanella и Geobacter также помогают в биоремедиации загрязненных ураном грунтовых вод. Чтобы продемонстрировать это, ученые сравнили и наблюдали концентрацию урана, удаляемого пилированными и непилированными штаммами Geobacter. Посредством серии контролируемых экспериментов они смогли сделать вывод, что штаммы, присутствующие в нанопроволоке, более эффективны при минерализации урана по сравнению с мутантами без нанопроволоки.
Дальнейшее прикладное значение бактериальных нанопроволок включает биоэлектронику. Помня об устойчивых ресурсах, ученые предложили в будущем использовать биопленки Geobacter в качестве платформы для функционирующих под водой транзисторов и суперконденсаторов, способных к самообновлению энергии.
20 апреля 2020 года исследователи продемонстрировали диффузное мемристор, изготовленный из белковых нанопроволок бактерии Geobacter surreducens, который работает при значительно более низких напряжениях, чем описанные ранее, и может позволить создавать искусственные нейроны, которые работают при напряжениях биологические потенциалы действия. Нанопроволоки имеют ряд преимуществ по сравнению с кремниевыми нанопроводами, и мемристоры могут использоваться для прямой обработки сигналов биосенсора, для нейроморфных вычислений и / или прямой связи с биологическими нейронами.
