Den vetenskapliga debatten har varit het på sistone om huruvida mikrobiella nanotrådar, den specialiserade elektriska pili av den lera-boende anaeroba bakterien Geobacter sulfurreducens , har verkligen metallliknande konduktivitet som dess upptäckare hävdar. Men nu University of Massachusetts Amherst mikrobiolog Derek Lovley, med postdoktorn Nikhil Malvankar och kollegor, säger att de har löst tvisten mellan teoretiska och experimentella vetenskapsmän genom att utforma en kombination av nya experiment och bättre teoretisk modellering.

I en serie tidningar som går tillbaka till 2011, Lovleys grupp tillhandahöll flera rader av experimentella bevis för det Geobacter pili leder elektroner genom den nära interaktionen av aromatiska aminosyror i proteinfilamentstrukturen. Som Malvankar förklarar, "Elektroner flyter som de gör i en koppartråd, därav termen metallliknande konduktivitet." under de senaste två åren har många grupper av teoretiska modellerare publicerat artiklar som drar slutsatsen att Lovley och Malvankars resultat är omöjliga.

Men, säger Lovley, "Från min synvinkel, experimentella data övertrumfar modellering. Som den bortgångne fysikern Richard Feynman sa, "Det spelar ingen roll hur vacker din teori är, det spelar ingen roll hur smart du är. Om det inte stämmer med experimentet, det är fel.'"

På jakt efter ännu mer experimentell data, Malvankar reste till Brookhaven National Laboratory i två år för att ytterligare utvärdera strukturen av Geobacter pili med sofistikerade tillvägagångssätt inklusive synkrotronröntgendiffraktion och rocking-curve-röntgendiffraktion. Han hittade ett periodiskt avstånd på 3,2 ångström av aromatiska aminosyror i Geobacter pili, mycket närmare varandra än vad de teoretiska modellerna förutspått. Resultaten visas i det aktuella numret av tidskriften mBio .

Lovely säger, "I Nikhils experiment, vi ser en tydlig signatur av den täta packningen av de aromatiska aminosyrorna. Icke-ledande pili saknar detta. Också, när Nikhil försurade pili, det var en ökning i packningen av aromaterna i proportion till en ökning av deras konduktivitet. Dessa resultat överensstämmer med vårt koncept av metallliknande konduktivitet i pili. Ingen av modellerna som förkastade vår hypotes stämde överens med dessa resultat."

För att bättre förstå bristen på överensstämmelse mellan experimenten och modellerna, Malvankar slog sig ihop med Eric Martz, UMass Amherst emeritus professor och proteinmodelleringsexpert. De fann att förändringen av ett enkelt antagande i att bygga pili-modellen förändrade resultatet dramatiskt. Malvankar förklarar, "Tidigare modeller började med en mall för strukturen för Neisseria gonorrhoeae pili. Geobacter pili är faktiskt närmare besläktade med de av Pseudomonas aeruginosa . Vår modell bygger på Pseudomonas ."

Malvankars modell förutsäger tät packning av aromatiska aminosyror i överensstämmelse med deras experimentella resultat och hypotesen att Geobacter pili har metallliknande ledningsförmåga.

Martz varnar, "Vi hävdar inte att vår modell är 100 procent korrekt. Faktum är att vi är säkra på att det inte är det. Men de andra modellerna kan helt enkelt inte förklara de experimentella resultaten. Vår gör det. Också, konduktiviteten kommer från ett protein. Forskare har alltid sagt att proteiner inte kan utföra denna funktion. Vi upptäckte att de inte bara gör det, men de gör det också bra. Detta är i grunden ett så intressant fynd att forskare måste vara uppmärksamma."

Denna upptäckt, stöds av finansiering från U.S. Office of Naval Research, förväntas hjälpa till att konstruera andra bakterier för att producera mikrobiella nanotrådar med syntetiska biologiska metoder. Till exempel, Lovleys labb har uppfunnit en artificiell form av fotosyntes där mikrober använder förnybar elektricitet för att omvandla koldioxid till bränslen och andra organiska kemikalier. Han säger, "Ju bättre vi förstår hur mikrobiella nanotrådar fungerar, desto bättre är våra chanser att optimera elektrod-mikrob-elektronutbytet."

Malvankar tillägger, "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." I naturen, 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, " han säger.

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.