Бактериальные нанопроволоки - Bacterial nanowires

Геобактер серы и его нанопроволоки

Бактериальные нанопроволоки (также известные как микробные нанопровода) электрически проводящий придатки произведен рядом бактерии особенно от (но не исключительно) Геобактер и Shewanella роды.[1][2] Проводящие нанопроволоки также были подтверждены у кислородных цианобактерий. Synechocystis PCC6803 и термофильная метаногенная сокультура, состоящая из Pelotomaculum thermopropionicum и Methanothermobacter thermoautotrophicus.[2]

Физиология

Геобактер Первоначально считалось, что нанопроволоки представляют собой модифицированные пили, которые используются для установления связи с концевыми электронными рецепторами. Дальнейшие исследования показали, что Геобактер нанопроволоки состоят из уложенных друг на друга цитохромы, а именно OmcS и OmcZ.[3] Эти уложенные друг на друга цитохромные нанопроволоки образуют цельный массив из гемы которые стабилизируют нанопроволоку через пи-стэкинг и обеспечивают путь для транспорта электронов.[4] Виды рода Геобактер использовать нанопроволоки для передачи электронов внеклеточным акцепторам электронов (например, оксидам Fe (III)).[5] Эта функция была обнаружена в результате исследования мутантов, нанопроволоки которых могли прикрепляться к железу, но не уменьшали его.[5]

Тем не мение, Shewanella нанопроволоки - это не пили, а расширения внешней мембраны, которые содержат цитохромы внешней мембраны декагема MtrC и OmcA.[6] Сообщаемое присутствие цитохромов внешней мембраны и отсутствие проводимости в нанопроволоках от MtrC и OmcA-дефицитного мутанта[7] напрямую поддерживают предложенный многошаговый механизм перескока для переноса электронов через Shewanella нанопроволоки.[8][9][10]

Кроме того, нанопроволоки могут облегчить перенос электронов на большие расстояния через толстые биопленка слои.[11] Соединяясь с другими клетками над ними, нанопроволоки позволяют бактериям, находящимся в бескислородных условиях, по-прежнему использовать кислород в качестве конечного акцептора электронов. Например, организмы рода Shewanella наблюдалось формирование электропроводящих нанопроволок в ответ на ограничение акцепторов электронов.[2]

История

Последствия и потенциальные применения

Биологически неясно, что подразумевается под существованием бактериальных нанопроволок. Нанопроволоки могут функционировать как проводники для переноса электронов между различными членами микробного сообщества.[12]

Применение биоэнергетики в микробных топливных элементах

В микробные топливные элементы (MFC), бактериальные нанопровода генерируют электричество посредством внеклеточного транспорта электронов к аноду MFC.[13] Было показано, что сети на основе нанопроволоки увеличивают выработку электроэнергии МФЦ с эффективной и большой проводимостью. В частности, пили Геобактер серы обладают металлической проводимостью, производя электричество на уровнях, сопоставимых с уровнями синтетических металлических наноструктур.[14] Когда бактериальные штаммы подвергаются генетическим манипуляциям для ускорения образования нанопроволок, обычно наблюдается более высокий выход электричества.[15] Покрытие нанопроволок оксидами металлов также способствует повышению электропроводности.[16] Кроме того, эти нанопроволоки могут переносить электроны на расстояние до сантиметра.[15] Передача электронов на большие расстояния через сеть пилей позволяет жизнеспособным клеткам, которые не находятся в прямом контакте с анодом, вносить вклад в поток электронов.[17] Таким образом, повышенное текущее производство в MFC наблюдается в более толстых биопленках.

Валюта, производимая бактериальными нанопроводами, очень низкая. Плотность тока около 17 микроампер на квадратный сантиметр, напряжение около 0,5 вольт на пленке толщиной 7 микрометров.[18]

Другие важные приложения

Было показано, что бактериальные нанопроволоки имеют значительный потенциал применения в областях биоэнергетики и биоремедиации.[19] Электронный перенос между пилей Геобактер, диссимиляционная бактерия, восстанавливающая металлы, генерирует проводимость, которая стимулирует преобразование органических соединений в электричество в микробных топливных элементах.[20] Биопленки производства Геобактер колонии вносят большой вклад в общее производство биоэнергии. Они позволяют переносить электроны через проводящие пили на большее расстояние от анода.[19] Фактически, выход биоэнергии может быть дополнительно увеличен за счет индукции экспрессии дополнительных генов нанопроволоки. Геобактер Было показано, что штаммы с повышенной экспрессией проводящих пилей производят более проводящие биопленки, тем самым увеличивая общий выход электроэнергии.[20]

Микробные нанопроволоки Shewanella и Геобактер также было показано, что они помогают в биоремедиации подземных вод, загрязненных ураном.[21] Чтобы продемонстрировать это, ученые сравнили и наблюдали концентрацию урана, удаляемого пилированными и непилированными штаммами. Геобактер. Посредством серии контролируемых экспериментов они смогли сделать вывод, что штаммы, присутствующие в нанопроволоке, более эффективны при минерализации урана по сравнению с мутантами без нанопроволоки.[22]

Еще одно значение применения бактериальных нанопроволок включает биоэлектронику.[19] Помня об устойчивых ресурсах, ученые предложили использовать в будущем биопленки Геобактер как платформа для функциональных подводных транзисторов и суперконденсаторов, способных к самообновлению энергии.[23]

20 апреля 2020 года исследователи продемонстрировали диффузный мемристор изготовлен из белковых нанопроволок бактерии Геобактер серы который работает при значительно более низких напряжениях, чем описанные ранее, и может позволить построить искусственные нейроны которые работают при напряжениях биологических потенциалы действия. Нанопроволоки имеют ряд преимуществ перед кремниевыми нанопроводами, и мемристоры могут использоваться для непосредственной обработки биосенсорные сигналы, за нейроморфные вычисления и / или прямая связь с биологическими нейронами.[24][25][26]

Рекомендации

  1. ^ Reguera, G; Маккарти, KD; Мехта, Т; Николл, JS; Туоминен, MT; Ловли, Д.Р. (2005). «Внеклеточный перенос электронов через микробные нанопроволоки». Природа. 435: 1098–101. Дои:10.1038 / природа03661. PMID  15973408.
  2. ^ а б c Юрий А. Горби; Светлана Янина; Джеффри С. Маклин; Кевин М. Россо; Дайан Мойлс; Алиса Дохналкова; Терри Дж. Беверидж; В Сеоп Чанг; Бён Хон Ким; Кён Шик Ким; Дэвид Э. Калли; Саманта Б. Рид; Маргарет Ф. Ромайн; Даад А. Саффарини; Эрик А. Хилл; Лян Ши; Дуэйн А. Элиас; Дэвид В. Кеннеди; Григорий Пинчук; Казуя Ватанабэ; Шуньити Исии; Брюс Логан; Кеннет Х. Нилсон и Джим К. Фредриксон (2006). «Электропроводящие бактериальные нанопроволоки, производимые штаммом Shewanella oneidensis MR-1 и другими микроорганизмами». Труды Национальной академии наук. 103 (30): 11358–11363. Дои:10.1073 / pnas.0604517103. ЧВК  1544091. PMID  16849424.
  3. ^ Сибел; и другие. (2020). «Электрическое поле стимулирует производство микробных нанопроволок OmcZ с высокой проводимостью». Природа Химическая Биология. Дои:10.1038 / s41589-020-0623-9. Получено 30 сентября 2020.
  4. ^ Ван, Фенбинь (2019). «Структура микробных нанопроволок показывает сложенные гемы, переносящие электроны на микрометрах». Клетка. Дои:10.1016 / j.cell.2019.03.029. Получено 30 сентября 2020.
  5. ^ а б Регера; и другие. (2005). «Внеклеточный перенос электронов через микробные нанопроволоки». Природа. 435 (7045): 1098–1101. Дои:10.1038 / природа03661. PMID  15973408.
  6. ^ Пирбадиан; и другие. (2014). «Нанопроволоки Shewanella oneidensis MR-1 представляют собой внешнюю мембрану и периплазматические продолжения компонентов внеклеточного транспорта электронов». Proc Natl Acad Sci USA. 111 (35): 12883–12888. Дои:10.1073 / pnas.1410551111. ЧВК  4156777. PMID  25143589.
  7. ^ Эль-Наггар; и другие. (2010). «Электротранспорт по бактериальной нанопроволоке от Shewanella oneidensis MR-1». Proc Natl Acad Sci USA. 107 (42): 18127–18131. Дои:10.1073 / pnas.1004880107. ЧВК  2964190. PMID  20937892.
  8. ^ Pirbadian, S .; Эль-Наггар, М.Ю. (2012). «Многоэтапное перескок и внеклеточный перенос заряда в окислительно-восстановительных цепях микробов». Phys Chem Chem Phys. 14 (40): 13802–8. Дои:10.1039 / C2CP41185G. PMID  22797729.
  9. ^ Полицци, Н.Ф .; и другие. (2012). «Физические ограничения на перенос заряда через бактериальные нанопроволоки». Фарадей Обсудить. 155: 43–61. Дои:10.1039 / C1FD00098E. ЧВК  3392031.
  10. ^ Strycharz-Glaven, SM; и другие. (2011). «Об электропроводности микробных нанопроволок и биопленок». Energy Environ Sci. 4 (11): 4366–4379. Дои:10.1039 / C1EE01753E.
  11. ^ Регера; и другие. (2006). «Производство биопленок и нанопроволок приводит к увеличению тока в топливных элементах Geobacter Sulfurreducens». Appl. Environ. Микробиол. 72 (11): 7345–8. Дои:10.1128 / aem.01444-06. ЧВК  1636155. PMID  16936064.
  12. ^ Рабай, Корнил; Розендаль, Рене А. (2010). «Микробный электросинтез - новый путь к электрическому пути микробного производства». Обзоры природы Микробиология. 8 (10): 706–716. Дои:10.1038 / nrmicro2422. ISSN  1740-1526. PMID  20844557.
  13. ^ Кодезия, А .; Ghosh, M .; Чаттерджи, А. (5 сентября 2017 г.). «Разработка биопленочных нанопроволок и электродов для эффективных микробных топливных элементов (MFC)». Цифровой репозиторий Thapar University (TuDR).
  14. ^ Malvankar, N.S .; Варгас, М .; Невин, К.П .; Franks, A.E .; Leang, C .; Kim, B.C .; Иноуэ, К. (7 августа 2011 г.). «Настраиваемая металлическая проводимость в микробиологических и нановолоконных сетях». Природа Нанотехнологии. 6: 573–579. Дои:10.1038 / NNANO.2011.119.
  15. ^ а б Malvankar, N.S .; Ловли, Д. (21 мая 2012 г.). "Микробные нанопровода: новая парадигма для биологического переноса электронов и биоэлектроники". ChemSusChem. 5 (6): 1039–1046. Дои:10.1002 / cssc.201100733 - через онлайн-библиотеку Wiley.
  16. ^ Maruthupandy, M .; Ананд, М .; Мадурайвиран, Г. (5 июня 2017 г.). «Изготовление бактериальной нанопроволочной пленки, покрытой наночастицами CuO, для получения высокоэффективной электрохимической проводимости». J Mater Sci. 52: 10766–10778. Дои:10.1007 / s10853-017-1248-6.
  17. ^ Регера, Джемма (2006). «Производство биопленки и нанопроволоки приводит к увеличению тока в топливных элементах Geobacter surreducens». Appl. Environ. Микробиол. 72: 7345–7348. Дои:10.1128 / aem.01444-06. ЧВК  1636155. PMID  16936064.
  18. ^ Сяомэн Лю, Хунъян Гао, Джой Э. Уорд, Сяожун Лю, Бин Инь, Тианда Фу, Цзяньхан Чен, Дерек Р. Ловли и Цзюнь Яо (2020). «Производство энергии из окружающей влажности с использованием белковых нанопроволок». Природа. 578 (7796): 550–554. Дои:10.1038 / s41586-020-2010-9. PMID  32066937.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  19. ^ а б c Конечно, Сандип; Экленд, М. Ли; Торриеро, Анхель А. Дж .; Адхолея, Алок; Кочар, Мандира (2016). «Микробные нанопровода: потрясающая сказка». Микробиология. 162 (12): 2017–2028. Дои:10.1099 / мик. 0.000382. PMID  27902405.
  20. ^ а б Мальванкар, Нихил С; Ловли, Дерек Р. (1 июня 2014 г.). «Микробные нанопроволоки для биоэнергетических приложений». Текущее мнение в области биотехнологии. 27: 88–95. Дои:10.1016 / j.copbio.2013.12.003. PMID  24863901.
  21. ^ Цзян, Шэнхуа; Ким, Мин-Гю; Ким, Су-Джин; Чон, Хён Сок; Ли, Су Ун; Но, До Ён; Садовски, Майкл Дж .; Hur, Hor-Gil (5 июля 2011 г.). «Бактериальное образование внеклеточных нанопроволок U (VI)». Химические коммуникации. 47 (28): 8076–8. Дои:10.1039 / C1CC12554K. PMID  21681306.
  22. ^ Cologgi, Dena L .; Лампа-Пастирк, Санела; Speers, Allison M .; Келли, Шелли Д .; Регера, Джемма (13 сентября 2011 г.). «Внеклеточное восстановление урана через проводящие пили Geobacter как защитный клеточный механизм». Труды Национальной академии наук. 108 (37): 15248–15252. Дои:10.1073 / pnas.1108616108. ЧВК  3174638. PMID  21896750.
  23. ^ Мальванкар, Нихил С .; Ловли, Дерек Р. (1 июня 2012 г.). «Микробные нанопроволоки: новая парадигма для биологического переноса электронов и биоэлектроники». ChemSusChem. 5 (6): 1039–1046. Дои:10.1002 / cssc.201100733. PMID  22614997.
  24. ^ «Ученые создают крошечные устройства, которые работают как человеческий мозг». Независимый. 20 апреля 2020 г.. Получено 17 мая 2020.
  25. ^ «Исследователи открывают электронику, которая имитирует человеческий мозг при эффективном обучении». Phys.org. Получено 17 мая 2020.
  26. ^ Фу, Тианда; Лю, Сяомэн; Гао, Хунъянь; Ward, Joy E .; Лю, Сяожун; Инь, Бин; Ван, Чжунжуй; Чжо, Е; Уокер, Дэвид Дж. Ф .; Джошуа Янг, Дж .; Чен, Цзяньхань; Ловли, Дерек Р .; Яо, июнь (20 апреля 2020 г.). «Биоинспирированные мемристоры бионапряжения». Nature Communications. 11 (1): 1–10. Дои:10.1038 / с41467-020-15759-у. ISSN  2041-1723. Получено 17 мая 2020.