Microbiólogos dirigidos por Derek Lovley en la Universidad de Massachusetts Amherst, quien es conocido internacionalmente por haber descubierto microfilamentos conductores de electricidad o "nanocables" en la bacteria Geobacter, anuncian en un nuevo artículo este mes que han descubierto estructuras inesperadas en muchas otras especies, ampliando enormemente el campo de investigación sobre filamentos conductores de electricidad. Los detalles aparecen en línea en el Revista de la Sociedad Internacional de Ecología Microbiana .

Lovley, quien publicó su primer artículo describiendo Geobacter hace 30 años, explica, "Geobacter ha desarrollado estos filamentos especiales con una subunidad básica muy corta llamada pilina que se ensambla para formar cadenas largas que se asemejan a una cuerda retorcida. La mayoría de las bacterias tienen una subunidad básica que es dos o tres veces más larga. Tener pili o e-pili conductores de electricidad es un evento evolutivo reciente en Geobacter, por lo que la hipótesis de trabajo era que esta capacidad solo se encontraría en sus parientes cercanos ".

Él añade, "Fue sorprendente para nosotros, y creo que mucha gente se sorprenderá al saber, que el concepto de que los microbios necesitan la subunidad pilina corta para producir e-pili es incorrecto. Hemos descubierto que algunas pilinas mucho más grandes también pueden producir e-pili y que la capacidad de expresar e-pili ha surgido de forma independiente varias veces en la evolución de diversos grupos microbianos ". Él y sus coautores añaden que" las e-pili pueden tener un papel importante en el ciclo biogeoquímico del carbono y los metales y tiene aplicaciones potenciales como materiales electrónicos 'verdes' ".

Lovley dice:"Este es un gran avance, porque ahora el campo se ensanchará. Los microbiólogos ahora saben que pueden trabajar con otros microbios para investigar filamentos conductores de electricidad. Hemos encontrado una amplia gama de microbios que tienen esto. Una cosa interesante que ya podemos informar es que algunas de las nuevas bacterias que hemos identificado tienen filamentos de hasta 10 nanómetros de diámetro. Los filamentos de Geobacter son muy delgados, sólo tres nanómetros de diámetro. Para construir dispositivos electrónicos como sensores de nanocables, es mucho más fácil manipular cables más gruesos. También será más sencillo dilucidar las características estructurales que confieren conductividad a los alambres más gruesos porque es más fácil resolver su estructura ".

Él espera que el descubrimiento de nanocables de proteínas conductores de electricidad adicionales contribuya a un muy necesario "verde, "revolución sostenible en la fabricación de productos electrónicos". Nuestro sistema actual de utilizar una energía considerable y recursos raros para producir productos electrónicos, luego tirarlos en vertederos de desechos tóxicos en el extranjero, no es sostenible, ", Dice Lovley. La producción de materiales biológicos electrónicos con microbios se puede lograr sin productos químicos agresivos y requiere menores insumos de energía, señala. "Y los microbios comen barato. En el caso de Geobacter, básicamente los alimentamos con vinagre ".

Lovley y sus colegas informan que "las cepas de G. sulfurreducens que producen altas densidades de corriente, que solo son posibles con e-pili, se obtuvieron con genes de pilina de Flexistipes sinusarabici, Calditerrivibrio nitroreducens y Desulfurivibrio alkaliphilus. La conductancia de pili de estas cepas era comparable a la e-pili de G. sulfurreducens nativa ".

En años recientes, Los microbiólogos y físicos de la UMass Amherst que trabajan con especies de Geobacter desarrollaron una hipótesis sobre cómo sus e-pili son capaces de conducir la corriente eléctrica basándose en la presencia de aminoácidos aromáticos en las subunidades de pilin. Han utilizado esta característica, una alta densidad de aminoácidos aromáticos y una falta de espacios libres de aromáticos sustanciales a lo largo de las cadenas de pilina, para seleccionar genes pili candidatos de otros microorganismos. incluyendo muchos microorganismos difíciles de cultivar.

El uso de esta técnica "revela nuevas fuentes de materiales electrónicos de base biológica y sugiere que una amplia diversidad filogenética de microorganismos puede utilizar e-pili para el intercambio de electrones extracelulares, ", informan. Para probar y validar los resultados de sus exámenes biológicos, sacaron genes de pilina nativos de Geobacter y los reemplazaron con genes de Calditerrivibrio, por ejemplo, luego colocó este organismo genéticamente modificado en una celda de combustible microbiana para ver si producía corriente eléctrica. En varios casos, lo hicieron, Lovley dice.

Lovley descubrió Geobacter cuando fue contratado por el Servicio Geológico de EE. UU. Para realizar su primer proyecto de microbiología en la calidad del agua en el río Potomac. en particular para comprender qué microbios estaban influyendo en la proliferación de algas alimentadas por fosfatos en los sedimentos de los ríos. Él recuerda, "La mayoría de los científicos, incluidos los microbiólogos, pensó que una reacción química era responsable de las transformaciones del hierro en el lodo que liberaban fosfatos asociados como contaminación en el agua. Sin embargo, cuando analizamos esto más a fondo, estaba claro que los microorganismos estaban involucrados y eso nos llevó al descubrimiento de Geobacter ".

A través de los años, otras características únicas de Geobacter han dado lugar a muchas "primicias en microbiología" en los campos de la biogeoquímica, biorremediación y energías renovables. Lovley dice:"Ahora Geobacter nos ha atraído hacia la electrónica. Estoy emocionado de descubrir si estos nuevos nanocables de proteínas conductores de electricidad de otras bacterias podrían funcionar incluso mejor que los cables de Geobacter para aplicaciones como sensores biomédicos. El método de detección simple descrito en nuestro artículo es identificar genes para cables conductores en diversos microorganismos que pueden depender de la señalización eléctrica para funciones únicas de importancia biomédica y ambiental ".