El debate científico ha sido candente últimamente sobre si los nanocables microbianos, los pili eléctricos especializados de la bacteria anaeróbica que habita en el lodo Geobacter sulfurreducens , poseen realmente una conductividad similar a la metálica, como afirman sus descubridores. Pero ahora el microbiólogo Derek Lovley de la Universidad de Massachusetts Amherst, con el investigador postdoctoral Nikhil Malvankar y sus colegas, dicen que han resuelto la disputa entre científicos teóricos y experimentales al idear una combinación de nuevos experimentos y mejores modelos teóricos.

En una serie de artículos que se remontan a 2011, El grupo de Lovley proporcionó varias líneas de evidencia experimental de que Geobacter pili conducen electrones a través de la estrecha interacción de aminoácidos aromáticos en la estructura del filamento de la proteína. Como explica Malvankar, "Los electrones fluyen como lo hacen en un alambre de cobre, de ahí el término conductividad de tipo metálico ". Sin embargo, En los últimos dos años, muchos grupos de modeladores teóricos han publicado artículos que concluyen que los resultados de Lovley y Malvankar son imposibles.

Pero, dice Lovley, "En mi opinión, los datos experimentales triunfan sobre el modelado. Como dijo el difunto físico Richard Feynman, 'No importa lo hermosa que sea tu teoría, no importa lo inteligente que seas. Si no está de acuerdo con el experimento, Está incorrecto.'"

En busca de datos aún más experimentales, Malvankar viajó al Laboratorio Nacional de Brookhaven durante dos años para evaluar más a fondo la estructura de Geobacter pili con enfoques sofisticados que incluyen microdifracción de rayos X de sincrotrón y difracción de rayos X de curva oscilante. Encontró un espaciado periódico de 3,2 angstrom de aminoácidos aromáticos en el Geobacter pili, mucho más juntos de lo que predijeron los modelos teóricos. Los hallazgos aparecen en el número actual de la revista. mBio .

Encantador dice, "En los experimentos de Nikhil, vemos una clara firma del empaquetamiento cerrado de los aminoácidos aromáticos. Los pili no conductores carecen de esto. También, cuando Nikhil acidificó el pili, hubo un aumento en el empaquetamiento de los aromáticos en proporción a un aumento en su conductividad. Estos resultados son consistentes con nuestro concepto de conductividad de tipo metálico en el pili. Ninguno de los modelos que rechazaron nuestra hipótesis fue consistente con estos resultados ".

Para comprender mejor la falta de correspondencia entre los experimentos y los modelos, Malvankar se asoció con Eric Martz, Profesor emérito de UMass Amherst y experto en modelado de proteínas. Descubrieron que cambiar una suposición simple en la construcción del modelo pili cambió drásticamente el resultado. Malvankar explica, "Los modelos anteriores comenzaron con una plantilla de la estructura de pili de Neisseria gonorrhoeae. Sin embargo, Geobacter pili en realidad están más estrechamente relacionados con los de Pseudomonas aeruginosa . Nuestro modelo se basa en Pseudomonas . "

El modelo de Malvankar predice un empaquetamiento denso de aminoácidos aromáticos consistente con sus resultados experimentales y la hipótesis de que Geobacter pili poseen conductividad de tipo metálico.

Martz advierte, "No estamos afirmando que nuestro modelo sea 100% correcto. De hecho, estamos seguros de que no lo es. Pero los otros modelos simplemente no pueden explicar los resultados experimentales. Nuestro hace. También, la conductividad proviene de una proteína. Los científicos siempre han dicho que las proteínas no pueden realizar esta función. Descubrimos que no solo lo hacen, pero también lo hacen bien. Este es fundamentalmente un hallazgo tan interesante que los científicos deberán prestar atención ".

Este descubrimiento apoyado por fondos de la Oficina de Investigación Naval de EE. UU., Se espera que ayude en la ingeniería de otras bacterias para producir nanocables microbianos con métodos de biología sintética. Por ejemplo, El laboratorio de Lovley ha inventado una forma artificial de fotosíntesis en la que los microbios utilizan electricidad renovable para convertir el dióxido de carbono en combustibles y otros productos químicos orgánicos. Él dice, "Cuanto mejor comprendamos cómo funcionan los nanocables microbianos, mayores serán nuestras posibilidades de optimizar el intercambio de electrones electrodo-microbio ".

Malvankar agrega, "There is also the opportunity to capitalize on the fundamental design principles that nature is teaching us to produce novel electronic materials in a sustainable way." En naturaleza, Geobacter use their microbial nanowires to breathe; they transfer electrons onto iron oxides, minerales naturales similares a la herrumbre en el suelo, which serve the same function for these bacteria that oxygen does in humans. "Qué Geobacter can do with its nanowires is akin to breathing through a snorkel that's 10 kilometers long, " él dice.

Others in Lovley's group have shown that Geobacter uses microbial nanowires to electrically communicate with other microbial species. This cooperative electron sharing is important in the conversion of organic wastes to methane, an effective bioenergy strategy. Nanowires are also key components of ongoing studies by Lovley's lab to build biocomputers and novel biosensors. The UMass Amherst team is now working on a "pili factory" to make purified Geobacter pili freely available to other researchers, to repeat these experiments or carry out other studies.