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Primer paso hacia la electrónica Interfaz microbios con materiales inorgánicos

Published on October 20, 2010 at 7:24 PM

El Terminator. El Borg. El Six Million Dollar Man. La ciencia ficción ha llegado con los seres biológicos armados con capacidades artificial. En realidad, sin embargo, las conexiones anticuadas entre los mundos vivos y no vivos-a menudo carecen de un canal claro de comunicación.

Ahora, científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han diseñado una conexión eléctrica a las células vivas de ingeniería a los electrones a través de transporte de membrana de una célula a un aceptor externo a lo largo de una trayectoria bien definida. Este canal directo podría producir células que pueden leer y responder a señales electrónicas, aparatos electrónicos capaces de auto-replicación y reparación, o de manera eficiente la transferencia de la luz solar en electricidad.

Una ingeniería cepa de Escherichia coli (amarillo) correspondientes a las de óxido de hierro sólido (negro). Los científicos de la fundición molecular dio el primer paso hacia la interconexión electrónica microbios con materiales inorgánicos, sin alterar la viabilidad celular. (Imagen cortesía de Heather Jensen)

"La fusión de los mundos vivos y no vivos, es una imagen canónica en la ciencia ficción", dijo Caroline Ajo-Franklin, un científico del personal en el Fondo para el nanoestructuras biológicas en la fundición molecular. "Sin embargo, en la mayoría de los intentos de la interfaz de los sistemas vivos y no vivos, hacer presión sobre las células con un objeto duro fuerte, y las células responden de una manera predecible - de su muerte. Sin embargo, en la naturaleza muchos organismos han desarrollado para interactuar con las rocas y los minerales que forman parte de su entorno. En este sentido, se ha inspirado en el enfoque de la naturaleza y, de hecho crecieron las conexiones de la célula. "

Electrones persuasión a través de una membrana celular no es trivial: los intentos de sacar un electrón de una célula puede alterar su función, o matar a toda la célula en el proceso. Lo que es más, las técnicas actuales de transferencia de electrones celular a una fuente externa falta una hoja de ruta molecular, lo que significa que incluso si los electrones se conviertan en las afueras de una célula, no hay manera de dirigir su comportamiento, ver dónde se detuvo en el camino, o enviar un señal de vuelta al interior de la célula.

"Estamos interesados ​​en encontrar una vía que no matarían a los sistemas vivos que estaban estudiando", dijo Heather Jensen, un estudiante graduado en la Universidad de California, Berkeley, cuyo trabajo de tesis es parte de esta publicación. "Mediante el uso de un sistema viviente de la electrónica, podemos crear un día biotecnologías que puede reparar y auto-replicarse." En su enfoque, Jensen, Ajo-Franklin y sus colegas primero clonado una parte de la cadena de transferencia de electrones extracelular de Shewanella oneidensis MR- 1, marinas y bacterias del suelo capaces de reducir los metales pesados ​​en ambientes sin oxígeno. Esta cadena o "cassette genético" Ajo-Franklin notas, es esencialmente un segmento de ADN que contiene las instrucciones para hacer la conducción de electrones. Además, porque toda la vida como la conocemos, utiliza el ADN, el casete genético puede ser conectado a cualquier organismo. El equipo mostró esta vía electrónica natural podría hacer estallar en una cepa (inofensivo) de E. coli, una bacteria E. modelo versátil de la biotecnología-para canalizar precisamente electrones dentro de una célula viva para un mineral inorgánico: óxido de hierro, también conocida como la roya.

Las bacterias en ambientes sin oxígeno, tales como la Shewanella, el uso de óxido de hierro de su entorno para respirar. Como resultado, estas bacterias han desarrollado mecanismos para la transferencia de carga directa a los minerales inorgánicos que se encuentran profundamente en el mar o el suelo. El equipo de los laboratorios de Berkeley demostraron su ingeniería de E. coli de manera eficiente puede reducir el hierro y el óxido de nanopartículas de hierro-el segundo cinco veces más rápido que el de E. coli solo.

"Este avance reciente es parte de un departamento más grande de los proyectos de energía en la domesticación de la vida a nivel celular y molecular. Directamente la interconexión de dispositivos sintéticos con los organismos vivos, podemos aprovechar las enormes capacidades de la vida en la foto-y la conversión de energía química, síntesis química, y el auto-ensamblaje y reparación ", dijo Groves Jay, un científico de la facultad en los laboratorios de Berkeley y profesor de química en la Universidad de California, Berkeley. "Las células tienen formas sofisticadas de la transferencia de electrones y la energía eléctrica. Sin embargo, sólo se pegue un electrodo en una celda es tan ineficaz como meter el dedo en un enchufe eléctrico cuando se tiene hambre. En su lugar, nuestra estrategia se basa en aprovechar directamente en la cadena de transporte de electrones moleculares utilizados por las células para captar eficientemente la energía. "

Los investigadores planean poner en práctica este cassette genético en bacterias fotosintéticas, como los electrones celular de estas bacterias puede ser producido a partir de la luz solar, proporcionando baratos, auto-replicante baterías solares. Estas bacterias reductoras de metal también podría ayudar en la producción de fármacos, Ajo-Franklin, añade, como el paso de la fermentación en la fabricación de drogas requiere uso intensivo de energía de bombeo de oxígeno. Por el contrario, estas bacterias manipuladas respirar con óxido, en lugar de oxígeno, el ahorro de energía.

Un artículo que informa sobre esta investigación titulado "Ingeniería de un conducto de electrones de síntesis en las células vivas", aparece en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias y está disponible para los suscriptores en línea. Co-autor del papel con Jensen, Franklin-Ajo y Groves fueron Aarón Albers, Konstantin Malley, Londer Yuri, Bruce Cohen, Helms y Brett Weigele Pedro.

Algunas partes de este trabajo en la fundición molecular con el apoyo de la Oficina de Ciencia del DOE.

Last Update: 6. October 2011 19:58

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