Påståendet från mikrobiologen Derek Lovley och kollegor vid University of Massachusetts Amherst att mikroben Geobacter producerar små elektriska ledningar, kallas mikrobiella nanotrådar, har varit fast i kontroverser i ett decennium, men forskarna säger att en ny samarbetsstudie ger starkare bevis än någonsin för att stödja deras påståenden.

UMass Amherst fysiker som arbetar med Lovley och kollegor rapporterar i det aktuella numret av Naturens nanoteknik att de har använt en ny bildteknik, elektrostatisk kraftmikroskopi (EFM), att lösa den biologiska debatten med bevis från fysiken, visar att elektriska laddningar verkligen sprider sig längs mikrobiella nanotrådar precis som i kolnanorör, ett mycket ledande konstgjort material.

Fysikerna Nikhil Malvankar och Sibel Ebru Yalcin, med fysikprofessor Mark Tuominen, bekräftade upptäckten med hjälp av EFM, en teknik som kan visa hur elektroner rör sig genom material. "När vi injicerade elektroner på en plats i de mikrobiella nanotrådarna, hela glödtråden lyste upp när elektronerna fortplantade sig genom nanotråden, säger Malvankar.

Yalcin, nu på Pacific Northwest National Lab, lägger till, "Detta är samma svar som du skulle se i en kolnanorör eller andra mycket ledande syntetiska nanofilament. Även laddningstätheten är jämförbar. Detta är första gången som EFM har applicerats på biologiska proteiner. Det erbjuder många nya möjligheter inom biologin. "

Lovley säger att elektrisk ströms förmåga att flöda genom mikrobiella nanotrådar har viktiga miljömässiga och praktiska konsekvenser. "Mikrobiella arter kommunicerar elektriskt genom dessa ledningar, dela energi i viktiga processer som omvandling av avfall till metangas. Nanotrådarna tillåter Geobacter att leva på järn och andra metaller i jorden, avsevärt förändra markkemin och spelar en viktig roll i miljösanering. Mikrobiella nanotrådar är också nyckelkomponenter i Geobacters förmåga att producera elektricitet, en ny kapacitet som anpassas för att konstruera mikrobiella sensorer och biologiska beräkningsenheter."

Han erkänner att det har funnits en betydande skepsis mot att Geobacters nanotrådar, som är proteinfilament, kunde leda elektroner som en tråd, ett fenomen som kallas metallliknande konduktivitet. "Skepticism är bra inom vetenskap, det får dig att arbeta hårdare för att utvärdera om det du föreslår är korrekt, " Lovley påpekar. "Det är alltid lättare att förstå något om du kan se det. Drs. Malvankar och Yalcin kom på ett sätt att visualisera laddningsspridning längs nanotrådarna som är så elegant att en biolog som jag enkelt kan förstå mekanismen. "

Biologer har i åratal vetat att i biologiska material, elektroner rör sig vanligtvis genom att hoppa längs diskreta biokemiska språngbrädor som kan hålla de individuella elektronerna. Däremot elektroner i mikrobiella nanotrådar delokaliseras, inte associerad med bara en molekyl. Detta är känt som metallliknande konduktivitet eftersom elektronerna leds på ett sätt som liknar en koppartråd.

Malvankar, som gav de första bevisen för den metallliknande konduktiviteten hos de mikrobiella nanotrådarna i Lovley och Tuominens laboratorier 2011, säger, "Metallisk ledningsförmåga hos de mikrobiella nanotrådarna verkade tydlig från hur den förändrades med olika temperatur eller pH, men det fanns fortfarande många tvivlare, särskilt bland biologer."

För att ge mer stöd till deras hypotes, Lovleys labb förändrade genetiskt strukturen på nanotrådarna, ta bort de aromatiska aminosyrorna som tillhandahåller de delokaliserade elektronerna som är nödvändiga för metallliknande konduktivitet, vinna över fler skeptiker. Men EFM står för finalen, nyckelbevis, säger Malvankar.

"Vår bildbehandling visar att laddningar flyter längs de mikrobiella nanotrådarna trots att de är proteiner, fortfarande i sitt ursprungliga tillstånd fäst vid cellerna. Se är att tro. Att kunna visualisera laddningsutbredningen i nanotrådarna på molekylär nivå är mycket tillfredsställande. Jag förväntar mig att denna teknik kommer att ha en särskilt viktig framtida inverkan på de många områden där fysik och biologi skär varandra. "Tillägger han.

Tuominen säger, "Denna upptäckt lägger inte bara fram en viktig ny princip inom biologi utan också inom materialvetenskap. Naturliga aminosyror, när de är ordnade korrekt, kan sprida laddningar som liknar molekylära ledare såsom kolnanorör. Det öppnar spännande möjligheter för proteinbaserad nanoelektronik som inte var möjligt tidigare."

Lovley och kollegors mikrobiella nanotrådar är en potentiell "grön" elektronikkomponent, tillverkad av förnybar, giftfria material. De representerar också en ny del i det växande området syntetisk biologi, han säger. "Nu när vi förstår bättre hur nanotrådarna fungerar, och har visat att de kan manipuleras genetiskt, att konstruera "elektriska mikrober" för en mängd olika applikationer verkar möjligt."

En applikation som för närvarande utvecklas är att göra Geobacter till elektroniska sensorer för att upptäcka miljöföroreningar. En annan är Geobacter-baserade mikrobiologiska datorer. Detta arbete stöddes av Office of Naval Research, det amerikanska energidepartementet och National Science Foundation.