El descubrimiento de un fundamental, La propiedad previamente desconocida de los nanocables microbianos en la bacteria Geobacter sulfurreducens que permite el transporte de electrones a través de largas distancias podría revolucionar la nanotecnología y la bioelectrónica. dice un equipo de físicos y microbiólogos de la Universidad de Massachusetts Amherst.

Sus hallazgos, publicados en la edición avanzada en línea del 7 de agosto de Nanotecnología de la naturaleza que algún día resulte más barato, nanomateriales no tóxicos para biosensores y electrónica de estado sólido que interactúan con sistemas biológicos.

El microbiólogo principal Derek Lovley con los físicos Mark Tuominen, Nikhil Malvankar y colegas, dicen redes de filamentos bacterianos, conocidos como nanocables microbianos porque conducen electrones a lo largo de su longitud, Puede mover cargas con tanta eficacia como nanoestructuras metálicas orgánicas sintéticas, y lo hacen a distancias notables, miles de veces la longitud de la bacteria.

Redes de nanocables microbianos que atraviesan biopelículas, que son agregados cohesivos de miles de millones de células, dar a este material biológico una conductividad comparable a la que se encuentra en los polímeros conductores sintéticos, que se utilizan comúnmente en la industria electrónica.

Lovley dice:"La capacidad de los filamentos de proteínas para conducir electrones de esta manera es un cambio de paradigma en biología y tiene ramificaciones para nuestra comprensión de los procesos microbianos naturales, así como implicaciones prácticas para la limpieza ambiental y el desarrollo de fuentes de energía renovables".

El descubrimiento representa un cambio fundamental en la comprensión de las biopelículas, Añade Malvankar. "En esta especie, la biopelícula contiene proteínas que se comportan como un metal, la conducción de electrones a una distancia muy larga, básicamente hasta donde pueda extender la biopelícula ".

Tuominen, el físico principal, agrega, "Este descubrimiento no solo presenta un importante nuevo principio en biología, sino también en ciencia de materiales. Ahora podemos investigar una gama de nuevos nanomateriales conductores que están vivos," de forma natural, no tóxico, más fácil de producir y menos costoso que el hecho por el hombre. Incluso pueden permitirnos usar dispositivos electrónicos en agua y ambientes húmedos. Abre oportunidades emocionantes para aplicaciones biológicas y energéticas que antes no eran posibles ".

Los investigadores informan que esta es la primera vez que se observa una conducción de carga eléctrica de tipo metálico a lo largo de un filamento de proteína. Anteriormente se pensaba que dicha conducción requeriría un mecanismo que involucraba una serie de otras proteínas conocidas como citocromos, con electrones haciendo saltos cortos de citocromo a citocromo. Por el contrario, el equipo de UMass Amherst ha demostrado una conducción de largo alcance en ausencia de citocromos. Los filamentos de Geobacter funcionan como un verdadero cable.

En naturaleza, Geobacter usa sus nanocables microbianos para transferir electrones a óxidos de hierro, minerales naturales similares a la herrumbre en el suelo, que para Geobacter cumplen la misma función que el oxígeno para los humanos. "Lo que Geobacter puede hacer con sus nanocables es similar a respirar a través de un tubo de 10 kilómetros de largo, "dice Malvankar.

El grupo UMass Amherst había propuesto en un artículo de 2005 en Nature que los nanocables de Geobacter podrían representar una nueva propiedad fundamental en biología. pero no tenían mecanismo, por lo que fueron recibidos con considerable escepticismo. Para seguir experimentando, Lovley y sus colegas aprovecharon el hecho de que en el laboratorio Geobacter crecerá en electrodos, que sustituyen a los óxidos de hierro. En electrodos, las bacterias producen espeso, biopelículas eléctricamente conductoras. En una serie de estudios con cepas modificadas genéticamente, Los investigadores encontraron que la conductividad de tipo metálico en la biopelícula podría atribuirse a una red de nanocables que se extiende por toda la biopelícula.

Estas estructuras especiales se pueden sintonizar de una manera nunca antes vista, encontraron los investigadores de UMass Amherst. Tuominen señala que es bien sabido en la comunidad de la nanotecnología que las propiedades artificiales de los nanocables pueden cambiarse alterando su entorno. El enfoque natural de Geobacter es único al permitir a los científicos manipular las propiedades conductoras simplemente cambiando la temperatura o regulando la expresión génica para crear una nueva cepa. por ejemplo. Malvankar agrega que al introducir un tercer electrodo, una biopelícula puede actuar como un transistor biológico, Puede encenderse o apagarse aplicando un voltaje.

Otra ventaja que ofrece Geobacter es su capacidad para producir materiales naturales que son más ecológicos y bastante menos costosos que los artificiales. Muchos de los materiales nanotecnológicos actuales son costosos de producir, muchos requieren elementos raros, dice Tuominen. Geobacter es una verdadera alternativa natural. "Como alguien que estudia materiales, Veo los nanocables de esta biopelícula como un nuevo material, uno que simplemente está hecho por la naturaleza. Es emocionante que pueda salvar la brecha entre la electrónica de estado sólido y los sistemas biológicos. Es biocompatible de una manera que no habíamos visto antes ".

Lovley bromea, "Básicamente, estamos fabricando productos electrónicos con vinagre. No puede ser mucho más barato o más 'verde' que eso".

Finalmente, esta es una historia sobre la colaboración interdisciplinaria, que es mucho más difícil de lograr de lo que parece, Lovley dice. "Tuvimos mucha suerte de contar con financiación flexible de la Oficina de Investigación Naval, el Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencias que nos permitió seguir algunas corazonadas. También, se necesitó un estudiante de doctorado en física lo suficientemente valiente como para pasar a la microbiología y trabajar con algo húmedo y viscoso ". Ese estudiante, Nikhil Malvankar, ahora es un investigador postdoctoral que con Lovley y Tuominen continuará explorando qué le da a los filamentos de proteínas de Geobacter sus propiedades eléctricas únicas.