Bakteryjne wtyczki

Na niektórych bakteriach występują włosowate struktury komórkowe fimbrie, które jak wtyczka pozwalają im na podłączenie do dużych obwodów biologicznych. Odkrycie zespołu z Uniwersytetu Południowej Kalifornii sugeruje, że kolonie bakteryjne są w stanie przeżyć, komunikować się i dzielić się energią, wykorzystując przewodzące prąd włoski zwane inaczej nanoprzewodami (ang. bacterial/microbial nanowires).

To pierwszy pomiar przewodzenia elektronów wzdłuż bakteryjnych nanoprzewodów – chwali się prof. Mohamed El-Naggar.

Wiedza o zasadach funkcjonowania kolonii bakteryjnych, np. powstających na zębach biofilmów, jest kluczowa dla opracowania metod ich niszczenia (zwłaszcza że wiele z nich cechuje antybiotykooporność). Niektóre kolonie, np. wykorzystywane w ogniwach paliwowych, są jednak przydatne i tutaj warto z kolei mieć świadomość, w jaki sposób optymalizować warunki środowiskowe mikrobów.

Przepływ elektronów w różnych kierunkach jest blisko związany z metabolicznym statusem poszczególnych części biofilmu. Bakteryjne nanoprzewody zapewniają niezbędne połączenia dla przeżycia mikrobiologicznego obwodu.

Bakteryjne nanoprzewody (fimbrie) wyglądają jak długie wystające włosy. Podobnie jak ludzkie włosy, składają się głównie z białka. Amerykanie testowali przewodnictwo na kulturach Shewanella oneidensis MR-1. Bakterie te wytwarzają fimbrie w okresach rozmaitych niedoborów. Manipulując warunkami wzrostu, naukowcy uzyskali bakterie z wieloma włoskami. Następnie mikroorganizmy umieszczono na powierzchni usianej miniaturowymi elektrodami. Kiedy nanoprzewód znalazł się między dwiema elektrodami, zamykając obwód, zaczynał płynąć mierzalny prąd. Przewodnictwo było podobne do odnotowywanego w przypadku półprzewodników – umiarkowane, ale znaczące. Gdy członkowie zespołu El-Naggara przecinali fimbrię, przepływ prądu ustawał. Wcześniejsze badania wykazały, że elektrony mogą się przemieszczać wzdłuż nanoprzewodu bakterii, ale nie dowodziły, że fimbrie przewodzą prąd na całej swojej długości.

Bakterie oddychają, przekazując elektron akceptorowi, w przypadku Shewanelli jest to żelazo Fe(III), które ulega zredukowaniu. Jeśli nie zapewnimy akceptora elektronów, mikroorganizm umiera.
W części przypadków nanoprzewody są jedynym sposobem "pozbywania się" elektronów. Gdy w pobliżu nie ma zbyt wielu akceptorów, fimbrie pozwalają bakteriom na udzielanie pomocy i wysuwanie kolektywnych wypustek do odleglejszych źródeł. Badacze z Uniwersytetu Południowej Kalifornii zauważyli, że Shewanella podłączały się do akceptorów elektronów i do siebie nawzajem, dzięki czemu każdy z członków kolonii mógł oddychać za pośrednictwem sieci nanoprzewodów.

Nanoprzewody, których nazwę ukuto nie tak dawno, bo w 2006 r., wydają się rozpowszechnione w świecie bakterii. Współautor najnowszego badania prof. Kenneth Nealson uważa, że transport elektronów wzdłuż nanoprzewodów stanowi szybszą i dogodniejszą formę komunikowania się bakterii niż opisywane dotąd stopniowe uwalnianie substancji sygnałowych.

fimbrie nanoprzewody Shewanella oneidensis MR-1 oddychanie elektrony przepływ wtyczka żelazo redukcja akceptor wypustka Mohamed El-Naggar