Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Den naturliga världen har sitt eget inneboende elektriska nät som består av ett globalt nät av små bakteriegenererade nanotrådar i marken och haven som "andas" genom att andas ut överflödiga elektroner.
I en ny studie upptäckte Yale University-forskare att ljus är en överraskande allierad för att främja denna elektroniska aktivitet inom biofilmbakterier. Att exponera bakterieproducerade nanotrådar för ljus, fann de, gav en upp till 100-faldig ökning av elektrisk ledningsförmåga.
Resultaten publicerades den 7 september i tidskriften Nature Communications .
"De dramatiska strömökningarna i nanotrådar som exponeras för ljus visar en stabil och robust fotoström som kvarstår i timmar", säger seniorförfattaren Nikhil Malvankar, docent i molekylär biofysik och biokemi (MBB) vid Yales Microbial Sciences Institute på Yales västra campus.
Resultaten kan ge nya insikter när forskare söker efter sätt att utnyttja denna dolda elektriska ström för en mängd olika ändamål, från att eliminera biologiskt farligt avfall och skapa nya förnybara bränslekällor.
Nästan alla levande varelser andas syre för att bli av med överflödiga elektroner när näringsämnen omvandlas till energi. Utan tillgång till syre har dock jordbakterier som lever djupt under hav eller begravda under jord under miljarder år utvecklat ett sätt att andas genom att "andas mineraler", som snorkling, genom små proteinfilament som kallas nanotrådar.
När bakterier exponerades för ljus överraskade ökningen av elektrisk ström forskarna eftersom de flesta av de testade bakterierna finns djupt i jorden, långt ifrån ljusets räckvidd. Tidigare studier hade visat att när de exponerades för ljus växte nanotrådproducerande bakterier snabbare.
"Ingen visste hur detta händer," sa Malvankar.
I den nya studien drog ett team från Yale under ledning av postdoktor Jens Neu och doktorand Catharine Shipps slutsatsen att ett metallhaltigt protein känt som cytokrom OmcS – som utgör bakteriella nanotrådar – fungerar som en naturlig fotoledare:nanotrådarna underlättar avsevärt elektronöverföring när biofilmer utsätts för ljus.
"Det är en helt annan form av fotosyntes," sa Malvankar. "Här accelererar ljus andning av bakterier på grund av snabb elektronöverföring mellan nanotrådar."
Malvankars labb undersöker hur denna insikt i bakteriell elektrisk ledningsförmåga kan användas för att stimulera tillväxt inom optoelektronik – ett delområde av fotonik som studerar enheter och system som hittar och kontrollerar ljus – och fångar upp metan, en växthusgas som är känd för att vara en betydande bidragsgivare till global klimatförändringar.
Andra författare till uppsatsen är Matthew Guberman-Pfeffer, Cong Shen, Vishok Srikanth, Sibel Ebru Yalcin från Malvankar Lab vid Yale; Jacob Spies, professor Gary Brudvig och professor Victor Batista från Yale Institutionen för kemi; och Nathan Kirchhofer från Oxford Instruments. + Utforska vidare
