La afirmación del microbiólogo Derek Lovley y sus colegas de la Universidad de Massachusetts Amherst de que el microbio Geobacter produce pequeños cables eléctricos, llamados nanocables microbianos, ha estado envuelto en una controversia durante una década, pero los investigadores dicen que un nuevo estudio colaborativo proporciona evidencia más sólida que nunca para respaldar sus afirmaciones.

Los físicos de UMass Amherst que trabajan con Lovley y sus colegas informan en la edición actual de Nanotecnología de la naturaleza que han utilizado una nueva técnica de imagen, microscopía de fuerza electrostática (EFM), para resolver el debate biológico con evidencia de la física, mostrando que las cargas eléctricas se propagan a lo largo de los nanocables microbianos tal como lo hacen en los nanotubos de carbono, un material artificial altamente conductor.

Los físicos Nikhil Malvankar y Sibel Ebru Yalcin, con el profesor de física Mark Tuominen, confirmó el descubrimiento usando EFM, una técnica que puede mostrar cómo se mueven los electrones a través de los materiales. "Cuando inyectamos electrones en un punto de los nanocables microbianos, todo el filamento se encendió a medida que los electrones se propagaban a través del nanoalambre, "dice Malvankar.

Yalcin, ahora en el Pacific Northwest National Lab, agrega, "Esta es la misma respuesta que se vería en un nanotubo de carbono u otros nanofilamentos sintéticos altamente conductores. Incluso las densidades de carga son comparables. Esta es la primera vez que se aplica EFM a proteínas biológicas. Ofrece muchas oportunidades nuevas en biología. "

Lovley dice que la capacidad de la corriente eléctrica para fluir a través de nanocables microbianos tiene importantes implicaciones ambientales y prácticas. "Las especies microbianas se comunican eléctricamente a través de estos cables, compartir energía en procesos importantes como la conversión de desechos en gas metano. Los nanocables permiten que Geobacter viva de hierro y otros metales en el suelo, cambiando significativamente la química del suelo y jugando un papel importante en la limpieza ambiental. Los nanocables microbianos también son componentes clave en la capacidad de Geobacter para producir electricidad, una capacidad novedosa que se está adaptando para diseñar sensores microbianos y dispositivos informáticos biológicos ".

Reconoce que ha habido un escepticismo sustancial de que los nanocables de Geobacter, que son filamentos de proteínas, podría conducir electrones como un cable, un fenómeno conocido como conductividad de tipo metálico. "El escepticismo es bueno en la ciencia, te hace trabajar más duro para evaluar si lo que propones es correcto, Lovley señala. “Siempre es más fácil entender algo si puedes verlo. Drs. Malvankar y Yalcin idearon una forma de visualizar la propagación de la carga a lo largo de los nanocables que es tan elegante que incluso un biólogo como yo puede captar fácilmente el mecanismo ".

Los biólogos saben desde hace años que en los materiales biológicos, los electrones se mueven típicamente saltando a lo largo de escalones bioquímicos discretos que pueden contener los electrones individuales. Por el contrario, los electrones en los nanocables microbianos están deslocalizados, no asociado con una sola molécula. Esto se conoce como conductividad de tipo metálico porque los electrones se conducen de manera similar a un alambre de cobre.

Malvankar, quien proporcionó la primera evidencia de la conductividad de tipo metálico de los nanocables microbianos en los laboratorios de Lovley y Tuominen en 2011, dice, "La conductividad de tipo metálico de los nanocables microbianos parecía clara por cómo cambiaba con diferentes temperaturas o pH, pero todavía había muchos escépticos, especialmente entre los biólogos ".

Para agregar más apoyo a su hipótesis, El laboratorio de Lovley alteró genéticamente la estructura de los nanocables, eliminar los aminoácidos aromáticos que proporcionan los electrones deslocalizados necesarios para la conductividad de tipo metálico, ganarse a más escépticos. Pero EFM proporciona el resultado final, evidencia clave, Dice Malvankar.

"Nuestras imágenes muestran que las cargas fluyen a lo largo de los nanocables microbianos a pesar de que son proteínas, todavía en su estado nativo unido a las células. Ver es creer. Poder visualizar la propagación de la carga en los nanocables a nivel molecular es muy satisfactorio. Espero que esta técnica tenga un impacto futuro especialmente importante en las muchas áreas en las que se cruzan la física y la biología ", añade.

Tuominen dice:"Este descubrimiento no solo presenta un nuevo principio importante en biología, sino también en ciencia de materiales. Aminoácidos naturales, cuando se arregla correctamente, puede propagar cargas similares a los conductores moleculares, como los nanotubos de carbono. Abre oportunidades emocionantes para la nanoelectrónica basada en proteínas que antes no era posible ".

Los nanocables microbianos de Lovley y sus colegas son un componente electrónico "verde" potencial, hecho de renovables, materiales no tóxicos. También representan una parte nueva en el creciente campo de la biología sintética, él dice. "Ahora que entendemos mejor cómo funcionan los nanocables, y han demostrado que pueden manipularse genéticamente, la ingeniería de 'microbios eléctricos' para una diversidad de aplicaciones parece posible ".

Una aplicación que se está desarrollando actualmente es convertir Geobacter en sensores electrónicos para detectar contaminantes ambientales. Otro son los ordenadores microbiológicos basados ​​en Geobacter. Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Naval, el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias.