Bir Geobacter mikrobundaki saç benzeri bir yapı (açık mavi), hücrenin yüzeyinden bir nanoteli (kırmızı) dışarı iter. Bu nanoteller bakterilerin elektriği "solumasına" izin verir. Deniz tabanının derinliklerinde genç bakteriler uzun, sıska şnorkellerle elektriği "soluyor" ve şimdi bilim insanları bu mikropların elektrik solumasını nasıl açıp kapatacaklarını keşfettiler. Araştırmacılar, 1 Eylül Çarşamba günü Nature dergisinde yayımlanan yeni bir çalışmada, bu tuhaf bakterilerin pilus adı verilen tek bir saç benzeri yapıda birbirine bağlanan iki proteine dayandığını bildirdi. Bu pililerin çoğu bakteri zarının hemen altında bulunur ve şnorkellerin hücreden dışarı ve çevreye itilmesine yardımcı olur, böylece mikrobun nefes almasına izin verir.
Yale Üniversitesi Mikrobiyal Bilimler Enstitüsü'nde Moleküler Biyofizik ve Biyokimya Yardımcı Doçenti olan kıdemli yazar Nikhil Malvankar Live Science'a verdiği demeçte: “Bu keşif sadece bakterilerin biyolojisi hakkında beklenmedik bir şey ortaya çıkarmakla kalmaz, aynı zamanda güçlü mikropla çalışan pillerden bakteriyel enfeksiyonlar için yeni tıbbi tedavilere kadar yeni teknolojilerin önünü açabilir.” İfadelerinde bulundu. Tıpkı insanlar gibi geobacter mikropları metabolizma sırasında atık elektronlar üretir, ancak bizim gibi oksijene erişemezler. Bu nedenle, fazla elektronlarından kurtulmak için, bakteriler kendilerini mikroplardan elektronları ve demir oksit gibi ortamdaki diğer bakteri veya minerallere aktarabilen nanoteller adı verilen ince, iletken filamentlerle kaplarlar. Live Science'ın daha önce bildirdiği gibi, bu ince nanoteller bir insan saçı genişliğinden 100.000 kat daha küçüktür ve elektronları orijinal mikropun vücut uzunluğunun yüzbinlerce katı kadar büyük mesafelerde taşıyabilir.
Malvankar," Benden 100 metre uzakta olan oksijeni soluyamıyorum. " dedi. "Ve bir şekilde, bu bakteriler bu nanotelleri boyutlarının 100 katı olan bir şnorkel gibi kullanıyorlar, böylece bu kadar uzun mesafelerde nefes almaya devam edebiliyorlar." Bu etkileyici başarı, elektronlar sürekli olarak uzun nanotellerden akarken bir elektrik akımı üretir. Ancak bilim insanları bu nanotelleri 2000'li yılların başında keşfetmiş olsalar da, Malvankar ve meslektaşları yakın zamanda hücresel şnorkellerin gerçekte neden meydana geldiğini keşfettiler. Başlangıçta, bilim insanları nanotellerin pili olduğunu varsaydılar. Malvankar, bu düşüncenin, pili yapımı için gerekli genleri Geobacter bakterilerinden silerseniz, nanotellerin artık yüzeylerinde görünmemesi gerçeğiyle desteklendiğini söyledi.
Ancak bir sorun vardı: Pili proteinleri, demir gibi elektrik ileten herhangi bir metal içermiyordu. Malvankar ve ekibi bu bilmeceyi Cell dergisinde yayımlanan 2019 tarihli bir çalışmada araştırdılar; bu sırada jeobakter bakterilerini, bileşen moleküllerinin anlık görüntüsünü almak için bir madde boyunca bir elektron ışını parlatmayı içeren bir teknik olan Kriyo-elektron mikroskobu (kriyo-EM) kullanarak incelediler. Malvankar," O zaman bakteri yüzeyinde hiç pili olmadığını fark ettik." dedi. "Bu büyük bir sürprizdi." Bunun yerine ekip, nanotellerin elektronları uzunluklarına kolayca aktaran ve bu nedenle piliden çok daha iyi nanoteller yapan sitokrom adı verilen proteinlerden oluştuğunu buldu. Nature Chemical Biology dergisinde yayımlanan 2020 tarihli bir çalışmada ekip, bu sitokrom bazlı nanotellerin, farklı verimlilik seviyelerinde elektrik ileten çoklu "tatlar" içinde geldiğini bildirdi.
Ancak ekip nanotellerin kimyasal yapısını ortaya çıkardıktan sonra bile, pili proteinleri hala Jeobakter bakterilerinin biyokimyasal değerlendirmelerinde ortaya çıktı. Eğer pili elektrik iletmiyorsa, "Asıl büyük soru şuydu, bilirsiniz, bu pililer gerçekte ne yapar? Neredeler?" Dedi Malvankar. En yeni Nature çalışmalarında ekip, laboratuvarda yetiştirilen Jeobakter kükürt indirgeyicilerindeki nanotellerin genlerini silerek bu pililerin yapısına daha yakından baktı. Pili genellikle nanoteller tarafından bloke edilirdi, bu yüzden bu yapılar olmadan, saç benzeri çıkıntılar hücrelerin yüzeyinden filizlendi. Bu, ekibe, her bir saçın içindeki iki farklı proteini (PilA-N ve PilA — C) ortaya çıkaran pili kriyo-EM ile inceleme şansı verdi.
Ekip ayrıca, pili'nin elektriği ne kadar iyi ilettiğini görmek için testler yaptı ve en yüksek iletken Geobacter nanotellerini oluşturan sitokrom proteini olan "Elektronları omcz'den 20.000 kat daha yavaş hareket ettirdiklerini" buldu; "elektronları hareket ettirmek için gerçekten yapılmadılar." Bununla birlikte, pili farklı bir işleve hizmet edebilecek gibi görünüyordu ve ekip bunu fark etti. Diğer bakteri türlerinde, bazı pililer hücre zarının altına oturur ve küçük pistonlar gibi hareket eder; bu hareket, proteinleri zardan yukarı ve hücrenin dışına itmelerini sağlar. Örneğin, Nature Structural & Molecular Biology dergisinde yayımlanan 2010 tarihli bir rapora göre, ishal hastalığı kolerasına neden olan bakteri Vibrio cholerae, bu pili Kolera toksini salgılamak için kullanıyor. Bir dizi deneyde ekip, Geobacter'daki pili'nin benzer bir rolü yerine getirdiğini, çünkü nanotellerin mikrobiyal membrandan geçmesine yardımcı olduklarını belirledi.
Malvankar," Piston proteini olmadığında sitokromların bakterilerin içinde sıkıştığını gördük." dedi. "Ve geni geri koyduğumuzda, sitokromlar bakterilerden kurtulabiliyor.” Ekip, "bu, bakterilerin açma-kapama anahtarıydı" dedi. Araştırmacılar ileriye dönük olarak kaç çeşitte nanotel oluşturan ve bu nanotelleri nefes almak için kullanan bakteri bulunduğunu araştırmak için plan yapyor. Ayrıca araştırma için pratik uygulamaları araştırmakla da ilgileniyorlar.