Mikrobiologer ledda av Derek Lovley vid University of Massachusetts Amherst, som är internationellt känd för att ha upptäckt elektriskt ledande mikrofilament eller "nanotrådar" i bakterien Geobacter, tillkännager i en ny tidning denna månad att de har upptäckt de oväntade strukturerna hos många andra arter, kraftigt bredda forskningsfältet om elektriskt ledande filament. Detaljer visas online i International Society of Microbial Ecology Journal .

Lovely, som publicerade sin första tidning som beskrev Geobacter för 30 år sedan, förklarar, "Geobacter har utvecklat dessa speciella filament med en mycket kort grundsubenhet som kallas en pilin som sätts samman för att bilda långa kedjor som liknar ett vridet rep. De flesta bakterier har en grundläggande subenhet som är två till tre gånger längre. Har elektriskt ledande pili eller e-pili är en nyligen evolutionär händelse i Geobacter, så arbetshypotesen var att denna förmåga bara skulle finnas hos dess nära släktingar."

Han lägger till, "Det var överraskande för oss, och jag tror att många människor kommer att bli förvånade över att lära sig, att konceptet att mikrober behöver den korta pilin-subenheten för att producera e-pili är fel. Vi har funnit att vissa mycket större piliner också kan ge e-pili och att förmågan att uttrycka e-pili har uppstått självständigt flera gånger i utvecklingen av olika mikrobiella grupper." Han och medförfattare tillägger att "e-pili kan ha en viktig roll i den biogeokemiska kretsloppet av kol och metaller och har potentiella tillämpningar som "gröna" elektroniska material."

Loveley säger, "Det här är en fantastisk utveckling, för nu kommer fältet att vidgas. Mikrobiologer vet nu att de kan arbeta med andra mikrober för att undersöka elektriskt ledande filament. Vi har hittat ett brett utbud av mikrober som har detta. En intressant sak som vi redan kan rapportera är att några av de nya bakterierna vi har identifierat har filament upp till 10 nanometer i diameter. Geobacters filament är mycket tunna, bara tre nanometer i diameter. För att bygga elektroniska enheter som nanotrådssensorer, det är mycket lättare att manipulera fetare trådar. Det kommer också att vara enklare att belysa de strukturella egenskaperna som ger konduktivitet med de tjockare trådarna eftersom det är lättare att lösa deras struktur."

Han hoppas att upptäckten av ytterligare elektriskt ledande proteinnanotrådar kommer att bidra till en välbehövlig "grön, " hållbar revolution inom elektroniktillverkning. "Vårt nuvarande system för att använda avsevärd energi och sällsynta resurser för att producera elektronik, sedan kasta dem i giftigt avfallsavfall utomlands, är inte hållbart, " säger Lovley. Att producera elektroniska biologiska material med mikrober kan uppnås utan starka kemikalier och kräver lägre energiinsatser, påpekar han. "Och mikroberna äter billigt. När det gäller Geobacter, vi matar dem i princip med vinäger."

Lovley och kollegor rapporterar att "stammar av G. sulfurreducens som producerar höga strömtätheter, som bara är möjliga med e-pili, erhölls med pilingener från Flexistipes sinusarabici, Calditerrivibrio nitroreducens och Desulfurivibrio alkaliphilus. Konduktansen för pili från dessa stammar var jämförbar med infödd G. sulfurreducens e-pili."

På senare år har UMass Amhersts mikrobiologer och fysiker som arbetar med Geobacter-arter utvecklade en hypotes för hur dess e-pili kan leda elektrisk ström baserat på närvaron av aromatiska aminosyror i pilin-subenheterna. De har använt denna egenskap - en hög densitet av aromatiska aminosyror och en brist på betydande aromatiska fria luckor längs pilinkedjor - för att välja kandidatpili-gener från andra mikroorganismer, inklusive många svårodlade mikroorganismer.

Att använda denna teknik "avslöjar nya källor för biologiskt baserade elektroniska material och föreslår att en bred fylogenetisk mångfald av mikroorganismer kan använda e-pili för extracellulärt elektronutbyte, " de rapporterar. För att testa och validera sina biologiska screeningsresultat, de tog infödda pilingener ur Geobacter och ersatte dem med Calditerrivibrio-gener, till exempel, placerade sedan denna genetiskt modifierade organism i en mikrobiell bränslecell för att se om den skulle producera elektrisk ström. I flera fall, dom gjorde, säger Lovely.

Lovley upptäckte Geobacter när han anställdes av U.S. Geological Survey för att genomföra sitt första mikrobiologiprojekt i vattenkvalitet i Potomacfloden, i synnerhet för att förstå vilka mikrober som påverkade algblomningen som matas av fosfater i flodsediment. Han minns, "De flesta forskare, inklusive mikrobiologer, trodde att en kemisk reaktion var ansvarig för järnomvandlingarna i leran som frigjorde tillhörande fosfater som föroreningar i vattnet. Dock, när vi tittade närmare på detta, det var tydligt att mikroorganismer var inblandade och det ledde oss till upptäckten av Geobacter."

Över åren, andra unika egenskaper hos Geobacter har resulterat i många "mikrobiologinyheter" inom biogeokemi, biosanering och förnybar energi. Loveley säger, "Nu har Geobacter dragit in oss i elektroniken. Jag är spännande att ta reda på om dessa nya elektriskt ledande proteinnanotrådar från andra bakterier kan fungera ännu bättre än Geobacter-trådarna för applikationer som biomedicinska sensorer. Den enkla screeningmetoden som beskrivs i vår artikel är att identifiera gener för ledande ledningar i olika mikroorganismer som kan förlita sig på elektrisk signalering för unika funktioner av biomedicinsk och miljömässig betydelse."