Ny forskning från Washington University i St. Louis förklarar de cellulära processerna som gör att en solälskande mikrob kan "äta" elektricitet - överföra elektroner för att fixera koldioxid för att bränsle till dess tillväxt.

Leds av Arpita Bose, biträdande professor i biologi i konst och vetenskap, och Michael Guzman, en Ph.D. kandidat i sitt laboratorium, ett team från Washington University visade hur en naturligt förekommande stam av Rhodopseudomonas palustris tar upp elektroner från ledande ämnen som metalloxider eller rost. Arbetet beskrivs i en tidning den 22 mars Naturkommunikation .

Studien bygger på Boses tidigare upptäckt att R. palustris TIE-1 kan konsumera elektroner från rostproxyer, som t.ex. en process som kallas extracellulärt elektronupptag. R. palustris är fototrofisk, vilket innebär att den använder energi från ljus för att utföra vissa metaboliska processer. Den nya forskningen förklarar de cellulära sänkorna där denna mikrob dumpar elektronerna den äter från elektricitet.

"Det visar tydligt för första gången hur denna aktivitet - förmågan för organismen att äta elektricitet - är kopplad till koldioxidfixering, sa Bose, en Packard Fellow som studerar mikrobiella metabolismer och deras inverkan på biogeokemisk cykling.

Denna mekanistiska kunskap kan hjälpa till att informera ansträngningar för att utnyttja mikrobens naturliga förmåga för hållbar energilagring eller andra bioenergitillämpningar - en potential som har fångat uppmärksamheten hos Department of Energy och Department of Defense.

" R. palustris stammar kan hittas på vilda och exotiska platser som en rostig bro i Woods Hole, Massachusetts där TIE-1 isolerades från, " sa Bose. "Verkligen, du kan hitta dessa organismer överallt. Detta tyder på att extracellulärt elektronupptag kan vara mycket vanligt."

Guzman tillade:"Den största utmaningen är att det är en anaerob, så du måste odla den i en miljö som inte har syre för att den ska skörda ljusenergi. Men baksidan av det är att dessa utmaningar möts med mycket mångsidighet i den här organismen som många andra organismer inte har."

I deras nya tidning, forskarna visade att elektronerna från elektricitet går in i proteiner i membranet som är viktiga för fotosyntesen. Förvånande, när de raderade mikrobens förmåga att fixera koldioxid, de observerade en 90-procentig minskning av dess förmåga att konsumera el.

"Det vill verkligen fixa koldioxid med det här systemet, " sa Bose. "Om du tar bort den - denna medfödda förmåga - vill den helt enkelt inte ta upp elektroner alls."

Hon sa att reaktionen på vissa sätt liknar ett laddningsbart batteri.

"Mikroben använder elektricitet för att ladda sin redoxpool, lagrar elektronerna och gör dem kraftigt reducerade, " sa Bose. "För att ladda ner det, cellen minskar koldioxid. Energin för allt detta kommer från solljus. Hela processen upprepar sig hela tiden, låter cellen göra biomolekyler med inget annat än elektricitet, koldioxid och solljus."

Ett team från Washington University övervann ett antal tekniska hinder för att slutföra denna studie. Mark Meacham från McKelvey School of Engineering hjälpte till att designa och tillverka de mikrofluidiska enheter som gjorde det möjligt för forskarna att skärpa in på aktiviteterna som pågick i cellerna när bakterierna matades från elkällor. Teamet förlitade sig också på stöd från samarbetspartners inklusive David Fike på avdelningen för jord- och planetvetenskap, som hjälpte Bose och Guzman att använda sekundär jonmasspektrometri för att bestämma hur mikroben använder koldioxid.

Den nya forskningen svarar på grundläggande vetenskapliga frågor och ger många möjligheter för framtida bioenergitillämpningar.

"Under en lång tid, människor har känt till att mikrober kan interagera med analoger av elektroder i miljön – det vill säga, mineraler som också är laddade, ", sa Guzman. "Men ingen uppskattade verkligen hur denna process också kunde göras av fotoautotrofer, som dessa typer av organismer som fixerar sitt eget kol och använder ljus för att göra energi. Denna forskning fyller en dåligt förstådd lucka på området."

Boses labb arbetar med att använda dessa mikrober för att tillverka bioplaster och biobränslen.

"Vi hoppas att denna förmåga att kombinera el och ljus för att minska koldioxiden kan användas för att hitta hållbara lösningar på energikrisen, sa Bose.