Under de senaste 10 åren, forskare har fascinerats av en typ av "elektriska bakterier" som skjuter ut långa rankor som elektriska ledningar, använder dem för att driva sig själva och överföra elektricitet till en mängd olika fasta ytor.
I dag, ett team ledd av forskare vid USC har vänt studien av dessa bakteriella nanotrådar på huvudet, upptäcker att nyckelfunktionerna i fråga inte är pili, som tidigare trott, utan snarare är förlängningar av bakteriens yttre membran utrustade med proteiner som överför elektroner, kallas "cytokromer".
Forskare hade länge misstänkt att bakteriella nanotrådar var pili – latin för "hår" – som är hårliknande egenskaper som är vanliga på andra bakterier, så att de kan fästa på ytor och till och med ansluta till varandra. Med tanke på likheten i form, det var lätt att tro att nanotrådar var pili. Men Moh El-Naggar, biträdande professor vid USC Dornsife College of Letters, Konst och vetenskap, säger att han alltid var noga med att undvika att säga att han säkert visste att det var vad de var.
"Pili-idén var den starkaste hypotesen, men vi var alltid försiktiga eftersom den exakta sammansättningen och strukturen var väldigt svårfångad. Sedan löste vi de experimentella utmaningarna och de hårda data tog oss i en helt annan riktning. Jag har aldrig varit lyckligare över att ha fel. På många sätt, det visade sig vara ett ännu smartare sätt för bakterier att driva sig själva, sa El-Naggar, motsvarande författare till studien, som utsågs till en Popular Science Brilliant 10-forskare 2012 för sitt banbrytande arbete med bakteriella nanotrådar.
Denna senaste studie kommer att publiceras online av Proceedings of the National Academy of Sciences den 18 augusti.
Forskare från USC samarbetade med kollegor från Penn State, University of Wisconsin-Milwaukee, Pacific Northwest National Laboratory, och Rensselaer Polytechnic Institute om forskningen.
Den första ledtråden kom från att spåra bakteriernas gener. Under bildandet av nanotrådar, forskare noterade en ökning av uttrycket av elektrontransportgener, men ingen motsvarande ökning av uttrycket av pilingener.
Utmanad av dessa bevis på vad nanotrådar inte var, laget behövde sedan ta reda på vad de egentligen var. El-Naggar krediterar Sahand Pirbadian, USC doktorand, med att utforma en genialisk men enkel strategi för att göra upptäckten.
Genom att beröva bakterierna syre, forskarna kunde tvinga bakterierna att sträcka ut sina nanotrådar på kommando, så att processen kan observeras i realtid. Och genom att färga bakteriemembranet, periplasma, cytoplasma, och specifika proteiner, forskare kunde ta video av nanotrådarna som sträckte ut sig – vilket bekräftade att de var baserade på membran, och inte pili alls.
Processen är inte så enkel som den låter. Att generera videor av nanotrådarna som sträcker sig ut krävde nya metoder för att samtidigt märka flera funktioner, hålla en kamera fokuserad på de slingrande bakterierna, och kombinera de optiska teknikerna med atomkraftsmikroskopi för att få högre upplösning.
"Det tog oss ungefär ett år bara att utveckla experimentupplägget och ta reda på de rätta förutsättningarna för bakterierna att producera nanotrådar, "Sa Pirbadian." Vi var tvungna att gå tillbaka och granska några äldre experiment igen och tänka om vad vi visste om organismen. När vi väl kunde inducera tillväxt av nanotrådar, vi började analysera deras sammansättning och struktur, vilket tog ytterligare ett års arbete. Men det var väl värt ansträngningen eftersom resultatet var mycket överraskande - men i efterhand var det väldigt meningsfullt. "
Att förstå hur dessa elektriska bakterier fungerar har tillämpningar långt utanför labbet. Sådana varelser har potential att ta itu med några av de stora frågorna om själva livets natur, inklusive vilka typer av livsformer vi kan hitta i extrema miljöer, som rymden. Dessutom, denna forskning har potential att informera om skapandet av levande, mikrobiella kretsar - utgör grunden för hybrid biologisk-syntetisk elektronisk utrustning.
Denna forskning finansierades vid USC av U.S.A. Department of Energy and Air Force Office of Scientific Research och möjliggjordes av anläggningar vid USC Centers of Excellence in NanoBiophysics and Electron Microsopy and Microanalysis.
