Gli scienziati scoprono l'interruttore on-off per i batteri che respirano elettricità / Scientists discover on-off switch for bacteria that breathe electricity

Gli scienziati scoprono l'interruttore on-off per i batteri che respirano elettricità / Scientists discover on-off switch for bacteria that breathe electricity

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Una struttura simile a un capello (azzurro) in un microbo Geobacter spinge un nanofilo (rosso) attraverso la superficie della cellula. Questi nanofili consentono ai batteri di "espirare" elettricità. / A hair-like structure (light blue) in a Geobacter microbe pushes a nanowire (red) out through the surface of the cell. These nanowires allow the bacteria to "exhale" electricity.

In profondità sotto il fondo del mare, piccoli batteri "espirano" elettricità attraverso boccagli lunghi e sottili e ora gli scienziati hanno scoperto come attivare e disattivare l'alito elettrico di questi microbi.     

Questi bizzarri batteri si basano su due proteine, che si uniscono in un'unica struttura simile a un capello chiamata pilus, secondo i ricercatori in un nuovo studio, pubblicato mercoledì (1 settembre) sulla rivista Nature. Molti di questi pili si trovano appena sotto la membrana batterica ed aiutano a spingere gli snorkel fuori dalla cellula e nell'ambiente circostante, permettendo così al microbo di respirare.

Questa scoperta non solo rivela qualcosa di inaspettato sulla biologia dei batteri, ma potrebbe anche aprire la strada a nuove tecnologie, da potenti batterie alimentate da microbi a nuovi trattamenti medici per le infezioni batteriche, l'autore senior Nikhil Malvankar, assistente professore di biofisica molecolare e biochimica a Yale L'istituto di scienze microbiche dell'università, ha detto a Live Science.

I batteri appartengono al genere Geobacter e si trovano in tutto il mondo, crescono in profondità nel sottosuolo in suoli totalmente privi di ossigeno. Gli esseri umani si affidano all'ossigeno per convertire il cibo in energia utilizzabile e per assorbire gli elettroni rimasti da questo processo metabolico. Se gli elettroni rimanenti si accumulassero, diventerebbero rapidamente tossici per il corpo, ha detto Malvankar.

Proprio come gli esseri umani, i microbi Geobacter generano elettroni di scarto durante il metabolismo, ma non hanno accesso all'ossigeno come facciamo noi. Quindi, per liberarsi degli elettroni in eccesso, i batteri si ricoprono di sottili filamenti conduttivi, chiamati nanofili, che possono trasportare gli elettroni dai microbi e verso altri batteri o minerali nell'ambiente, come l' ossido di ferro. 

Questi sottili nanofili sono 100.000 volte più piccoli della larghezza di un capello umano e possono trasportare elettroni su enormi distanze, da centinaia a migliaia di volte la lunghezza del corpo del microbo originale, secondo quanto riportato in precedenza da WordsSideKick.com.

"Non riesco a respirare l'ossigeno che è come 100 metri [328 piedi] di distanza da me", ha detto Malvankar. "E in qualche modo, questi batteri stanno usando questi nanofili come un boccaglio che è 100 volte la loro dimensione, in modo che possano continuare a respirare su distanze così lunghe". Questa impressionante impresa genera una corrente elettrica, poiché gli elettroni fluiscono continuamente attraverso i lunghi nanofili.

Ma sebbene gli scienziati abbiano scoperto questi nanofili nei primi anni 2000, Malvankar ed i suoi colleghi hanno scoperto solo di recente di cosa sono effettivamente fatti gli snorkel cellulari. Inizialmente, gli scienziati presumevano che i nanofili fossero pili. Questa nozione sembrava essere supportata dal fatto che, se si eliminano i geni necessari per la costruzione dei pili dai batteri Geobacter, i nanofili non appaiono più sulle loro superfici, ha detto Malvankar. 

Ma c'era un problema: le proteine dei ​​pili non contengono metalli, come il ferro, che conducono elettricità. Malvankar ed il suo gruppo hanno indagato su questo enigma in uno studio del 2019, pubblicato sulla rivista Cell, durante il quale hanno esaminato i batteri Geobacter utilizzando la microscopia crioelettronica (crio-EM), una tecnica che consiste nel far brillare un fascio di elettroni attraverso una sostanza per prendere un istantanea delle sue molecole componenti.

"È stato allora che ci siamo resi conto che non ci sono pili sulla superficie batterica", ha detto Malvankar. "È stata una grande sorpresa". Invece, il gruppo ha scoperto che i nanofili erano fatti di proteine chiamate citocromi, che trasferiscono prontamente gli elettroni lungo la loro lunghezza e quindi producono nanofili molto migliori dei pili. In uno studio del 2020, pubblicato sulla rivista Nature Chemical Biology, il gruppo ha riferito che questi nanofili a base di citocromo sono disponibili in più "sapori", che conducono elettricità con diversi livelli di efficienza. 

Ma anche dopo che il gruppo ha rivelato la composizione chimica dei nanofili, le proteine dei ​​pili sono ancora emerse nelle loro valutazioni biochimiche dei batteri Geobacter. Se i pili non conducevano elettricità, "la vera grande domanda era, sai, cosa fanno veramente questi pili? Dove sono?" ha detto Malvankar.

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Nel loro più recente studio su Nature, il gruppo ha esaminato più da vicino la struttura di questi pili eliminando prima i geni per i nanofili in Geobacter sulfurreducens coltivato in laboratorio. I pili di solito sarebbero bloccati dai nanofili, quindi senza quelle strutture nel modo, le proiezioni simili a capelli germogliavano dalla superficie delle cellule. Ciò ha dato al gruppo la possibilità di esaminare i pili con cryo-EM, che ha rivelato le due proteine ​​distinte - PilA-N e PilA-C - all'interno di ciascun capello. 

Il gruppo ha anche eseguito dei test per vedere quanto bene i pili conducessero l'elettricità e hanno scoperto che "spostano gli elettroni 20.000 volte più lentamente di OmcZ", la proteina del citocromo che forma i nanofili di Geobacter più altamente conduttivi , ha detto Malvankar; "non sono fatti per spostare gli elettroni".

Detto questo, i pili sembravano poter svolgere una funzione diversa, ha notato il gruppo. In altre specie batteriche, alcuni pili siedono sotto la membrana cellulare e si muovono come minuscoli pistoni; questo movimento consente loro di spingere le proteine ​​attraverso la membrana e verso l'alto e fuori dalla cellula. Ad esempio, il batterio Vibrio cholerae, che causa la malattia diarroica del colera, utilizza tale pili per secernere la tossina del colera, secondo un rapporto del 2010 sulla rivista Nature Structural & Molecular Biology. In una serie di esperimenti, il gruppo ha determinato che i pili in Geobacter svolgono un ruolo simile, in quanto aiutano a spingere i nanofili attraverso la membrana microbica. 

"Abbiamo scoperto che i citocromi sono bloccati all'interno dei batteri quando la proteina del pistone non è presente", ha detto Malvankar. "E quando reinseriamo il gene, i citocromi sono in grado di uscire dai batteri". Questo, quindi, era l'interruttore di accensione/spegnimento dei batteri, ha concluso il gruppo.

Guardando al futuro, i ricercatori hanno in programma di indagare su quanti altri tipi di batteri costruiscono nanofili e li usano per respirare elettricità. Sono anche interessati ad esplorare applicazioni pratiche per la ricerca. 

I ricercatori hanno utilizzato le colonie di Geobacter per alimentare piccoli dispositivi elettronici per più di un decennio, ma al momento queste batterie batteriche possono produrre solo piccole quantità di energia, secondo quanto riportato in precedenza da WordsSideKick.com . In ricerche passate, Malvankar ed il suo gruppo hanno scoperto che le colonie possono essere rese più conduttive sotto l'influenza di un campo elettrico, il che potrebbe aiutare ad aumentare la potenza di questi dispositivi; ora, la nuova ricerca potrebbe fornire agli scienziati un altro grado di controllo, consentendo loro di accendere o spegnere l'elettricità.

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Questa ricerca potrebbe avere anche applicazioni in medicina e, in particolare, nei trattamenti per le infezioni batteriche, ha affermato Malvankar. Ad esempio, la Salmonella riesce a superare i batteri benefici nell'intestino perché può passare dalla fermentazione, che produce energia lentamente senza bisogno di ossigeno, alla respirazione, che produce energia rapidamente e di solito richiede ossigeno, secondo quanto riportato in precedenza da WordsSideKick.com. Nell'ambiente a basso contenuto di ossigeno dell'intestino, la Salmonella utilizza un composto chiamato tetrationato come sostituto dell'ossigeno, superando così i batteri benefici nel corpo.

Ma cosa accadrebbe se quei batteri utili potessero ottenere un vantaggio? In teoria, se dotassi i batteri di nanofili e li introducessi nell'intestino, come una sorta di trattamento probiotico, potrebbero potenzialmente competere con agenti patogeni dannosi come la Salmonella , ha detto Malvankar. Malvankar ed i suoi colleghi stanno studiando questo potenziale corso di trattamento, ma il lavoro è ancora nelle sue fasi iniziali.

ENGLISH

Deep beneath the seabed, teensy bacteria "exhale" electricity through long, skinny snorkels, and now, scientists have discovered how to switch these microbes' electric breath on and off.     

These bizarre bacteria rely on two proteins, which band together in a single hair-like structure called a pilus, the researchers reported in a new study, published Wednesday (Sept. 1) in the journal Nature. Many of these pili lie just beneath the bacterial membrane and help push the snorkels out of the cell and into the surrounding environment, thus allowing the microbe to breathe.

This discovery not only reveals something unexpected about the bacteria's biology but could also pave the way for new technologies, from powerful microbe-powered batteries to new medical treatments for bacterial infections, senior author Nikhil Malvankar, an assistant professor of molecular biophysics and biochemistry at Yale University's Microbial Sciences Institute, told Live Science.

The bacteria belong to the genus Geobacter and can be found all across the world, growing deep underground in soils that are totally devoid of oxygen. Humans rely on oxygen to convert food into usable energy and to sop up electrons that are left over from this metabolic process. If the leftover electrons accumulated, they would quickly become toxic to the body, Malvankar said.

Just like humans, Geobacter microbes generate waste electrons during metabolism, but they don't have access to oxygen like we do. So, to get rid of their excess electrons, the bacteria coat themselves in thin, conductive filaments, called nanowires, which can shuttle electrons out of the microbes and to other bacteria or minerals in the environment, such as iron oxide. 

These thin nanowires are 100,000 times smaller than the width of a human hair and can transport electrons over huge distances, hundreds to thousands of times the original microbe's body length, Live Science previously reported.

"I cannot breathe oxygen which is like 100 meters [328 feet] away from me," Malvankar said. "And somehow, these bacteria are using these nanowires like a snorkel which is 100 times their size, so that they can keep breathing over such long distances." This impressive feat generates an electric current, as electrons continually flow through the lengthy nanowires.

But although scientists discovered these nanowires in the early 2000s, Malvankar and his colleagues only recently discovered what the cellular snorkels are actually made of. Initially, scientists assumed that the nanowires were pili. This notion seemed to be supported by the fact that, if you delete the genes needed for pili construction from Geobacter bacteria, nanowires no longer appear on their surfaces, Malvankar said. 

But there was a problem: Pili proteins don't contain any metals, like iron, that conduct electricity. Malvankar and his team investigated this conundrum in a 2019 study, published in the journal Cell, during which they examined Geobacter bacteria using cryo-electron microscopy (cryo-EM), a technique that involves shining a beam of electrons through a substance to take a snapshot of its component molecules.

"That's when we realized that there are no pili on the bacterial surface at all," Malvankar said. "That was a big surprise." Instead, the team found that the nanowires were made of proteins called cytochromes, which readily transfer electrons down their lengths and therefore make much better nanowires than pili. In a 2020 study, published in the journal Nature Chemical Biology, the team reported that these cytochrome-based nanowires come in multiple "flavors," which conduct electricity with different levels of efficiency. 

But even after the team revealed the chemical makeup of the nanowires, pili proteins still cropped up in their biochemical assessments of the Geobacter bacteria. If the pili weren't conducting electricity, "the real big question was, you know, what do these pili really do? Where are they?" Malvankar said.

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In their newest Nature study, the team looked more closely at the structure of these pili by first deleting the genes for nanowires in lab-grown Geobacter sulfurreducens. The pili would usually be blocked in by the nanowires, so without those structures in the way, the hair-like projections sprouted from the surface of the cells. This gave the team a chance to examine the pili with cryo-EM, which revealed the two distinct proteins — PilA-N and PilA-C — within each hair. 

The team also ran tests to see how well the pili conducted electricity, and found that "they move electrons 20,000 times slower than OmcZ," the cytochrome protein that forms the most-highly conductive Geobacter nanowires, Malvankar said; "they are just not really made to move electrons."

That said, the pili looked like they might serve a different function, the team noticed. In other bacterial species, some pili sit beneath the cell membrane and move like tiny pistons; this motion lets them push proteins through the membrane, and up and out of the cell. For example, the bacterium Vibrio cholerae, which causes the diarrheal illness cholera, uses such pili to secrete cholera toxin, according to a 2010 report in the journal Nature Structural & Molecular Biology. In a series of experiments, the team determined that the pili in Geobacter fulfill a similar role, in that they help shove nanowires through the microbial membrane. 

"We found that the cytochromes are stuck inside the bacteria when the piston protein is not there," Malvankar said. "And when we put the gene back, the cytochromes are able to get out of the bacteria." This, then, was the bacteria's on-off switch, the team concluded.

Looking forward, the researchers plan to investigate how many other types of bacteria build nanowires and use them to breathe electricity. They're also interested in exploring practical applications for the research. 

Researchers have used Geobacter colonies to power small electronics for more than a decade, but as of yet, these bacterial batteries can produce only tiny amounts of power, Live Science previously reported. In past research, Malvankar and his team found that the colonies can be made more conductive under the influence of an electric field, which could help boost the power of these devices; now, the new research could provide scientists another degree of control, by allowing them to switch electricity on or off.

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This research could also have applications in medicine and, in particular, in treatments for bacterial infections, Malvankar said. For example, Salmonella manages to outgrow beneficial bacteria in the gut because it can switch from fermentation, which produces energy slowly with no oxygen required, to respiration, which produces energy quickly and usually requires oxygen, Live Science previously reported. In the low-oxygen environment of the intestines, Salmonella uses a compound called tetrathionate as a substitute for oxygen, thus outcompeting beneficial bacteria in the body.

But what if those helpful bacteria could get a leg up? In theory, if you equipped bacteria with nanowires and introduced them into the gut, as a kind of probiotic treatment, they could potentially outcompete harmful pathogens such as Salmonella, Malvankar said. Malvankar and his colleagues are studying this potential course of treatment, but the work is still in its early stages.

Da:

https://www.livescience.com/bacteria-breathe-electricity-on-off-switch.html