Ловли, опубликовавший свою первую статью, описывающую Geobacter 30 лет назад, объясняет: «Geobacter развила эти особые нити с очень короткой базовой субъединицей, называемой пилином, которые собираются в длинные цепи, напоминающие скрученную веревку. Большинство бактерий имеют базовую субъединицу, которая в два-три раза длиннее.
Наличие электрически проводящих пилей или электронных пилей — недавнее эволюционное событие Geobacter, поэтому рабочая гипотеза заключалась в том, что эта способность может быть обнаружена только у его близких родственников ».Он добавляет: «Для нас это было удивительно, и я думаю, что многие люди будут удивлены, узнав, что концепция о том, что микробам нужна короткая субъединица пилина для производства электронных пили, неверна.
Мы обнаружили, что некоторые пилины гораздо большего размера также могут давать e-pili и что способность экспрессировать e-pili возникала независимо несколько раз в эволюции различных микробных групп ». Он и соавторы добавляют, что «электронные пили могут играть важную роль в биогеохимическом круговороте углерода и металлов и иметь потенциальное применение в качестве« зеленых »электронных материалов».Ловли говорит: «Это большое достижение, потому что теперь область применения будет расширяться. Теперь микробиологи знают, что они могут работать с другими микробами, чтобы исследовать электропроводящие волокна.
Мы обнаружили широкий спектр микробов, у которых есть это. Одна интересная вещь, которую мы Уже могу сообщить, что некоторые из новых бактерий, которые мы идентифицировали, имеют волокна диаметром до 10 нанометров. Нити Geobacter очень тонкие, всего три нанометра в диаметре. Для создания электронных устройств, таких как датчики на основе нанопроволоки, манипулировать им намного проще.
Более толстые провода. Также будет проще выяснить структурные особенности, которые придают проводимость более толстым проводам, потому что легче решить их структуру ».Он надеется, что открытие дополнительных электропроводящих белковых нанопроволок внесет свой вклад в столь необходимую «зеленую» экологическую революцию в производстве электроники. «Наша нынешняя система использования значительных объемов энергии и редких ресурсов для производства электроники, а затем их выбрасывания на свалки токсичных отходов за границей, не является устойчивой», — говорит Ловли.
Он отмечает, что производство электронных биологических материалов с микробами может быть достигнуто без использования агрессивных химикатов и требует меньших затрат энергии. «А микробы едят дешево. В случае с Geobacter мы в основном кормим их уксусом».Ловли и его коллеги сообщают, что «штаммы G. sulfurreducens, производящие высокие плотности тока, которые возможны только с e-pili, были получены с генами пилинов из Flexistipes sinusarabici, Calditerrivibrio nitroreducens и Desulfurivibrio alkaliphilus.
Электропроводность пилей этих штаммов была сопоставима с аборигенная G. Surreducens e-pili. "В последние годы микробиологи и физики из Университета Массачусетса в Амхерсте, работающие с видами Geobacter, разработали гипотезу о том, как его электронные пили могут проводить электрический ток, на основе присутствия ароматических аминокислот в субъединицах пилина. Они использовали эту характеристику — высокую плотность ароматических аминокислот и отсутствие значительных свободных от ароматических соединений разрывов вдоль цепей пилина — для отбора генов-кандидатов пили из других микроорганизмов, включая многие трудно культивируемые микроорганизмы.
Они сообщают, что использование этой техники «открывает новые источники для биологических электронных материалов и предполагает, что широкое филогенетическое разнообразие микроорганизмов может использовать электронные пили для внеклеточного электронного обмена». Чтобы проверить и подтвердить результаты своего биологического скрининга, они взяли нативные гены пилина из Geobacter и заменили их, например, генами Calditerrivibrio, а затем поместили этот генетически модифицированный организм в микробный топливный элемент, чтобы посмотреть, будет ли он производить электрический ток.
По словам Ловли, в нескольких случаях они это сделали.Ловли обнаружил Geobacter, когда его наняла Геологическая служба США для проведения своего первого микробиологического проекта по оценке качества воды в реке Потомак, в частности, чтобы понять, какие микробы влияют на цветение водорослей, питаемое фосфатами в речных отложениях. Он вспоминает: «Большинство ученых, включая микробиологов, считали, что химическая реакция была ответственна за превращение железа в грязи, которое высвободило связанные фосфаты в виде загрязнения в воду. Однако, когда мы изучили этот вопрос, стало ясно, что в этом участвуют микроорганизмы. и это привело нас к открытию Geobacter ».
За прошедшие годы другие уникальные особенности Geobacter привели к появлению многих «первых микробиологов» в областях биогеохимии, биоремедиации и возобновляемых источников энергии. Ловли говорит: «Теперь Geobacter привлекла нас к электронике.
Я очень рад узнать, могут ли эти новые электропроводящие белковые нанопровода от других бактерий работать даже лучше, чем провода Geobacter для таких приложений, как биомедицинские датчики. Простой метод скрининга, описанный в нашем paper идентифицирует гены проводящих проводов у различных микроорганизмов, которые могут полагаться на электрические сигналы для уникальных функций биомедицинского и экологического значения ".