Première étape vers électroniquement Interfaçage microbes avec des matériaux inorganiques

Published on October 20, 2010 at 7:24 PM

Le Terminator. Le Borg. Les Six Million Dollar Man. La science-fiction est venu avec des êtres biologiques armés avec des capacités artificielle. En réalité, cependant, les connexions entre les mondes de vie maladroit et non-vivants manquent souvent d'une voie claire pour la communication.

Maintenant, les scientifiques avec le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont conçu une liaison électrique pour les cellules vivantes conçu pour les électrons de navette à travers la membrane d'une cellule à un accepteur externes sur un chemin bien défini. Ce canal direct pourrait produire des cellules qui peuvent lire et répondre aux signaux électroniques, l'électronique capable d'auto-réplication et la réparation, ou transférer efficacement la lumière du soleil en électricité.

Une souche d'Escherichia coli conçu (jaune) attachés à l'oxyde de fer solide (noir). Les scientifiques de la Fonderie Moléculaire a pris la première étape vers l'interfaçage électronique microbes avec des matériaux inorganiques, sans perturber la viabilité des cellules. (Image courtoisie de Heather Jensen)

"Fusionnant les mondes vivants et non vivants est une image canonique dans la science-fiction", a déclaré Caroline Ajo-Franklin, un scientifique du personnel dans l'installation de nanostructures biologiques à la Fonderie Moléculaire. «Toutefois, dans la plupart des tentatives de l'interface des systèmes vivants et non vivants, vous fouiller les cellules avec un objet pointu dur, et les cellules répondent de façon prévisible - ils meurent. Pourtant, dans la nature de nombreux organismes ont évolué pour interagir avec les roches et les minéraux qui font partie de leur environnement. Ici, nous nous sommes inspirés de l'approche de la nature et de fait augmenté les connexions de la cellule. "

Électrons câline à travers une membrane cellulaire n'est pas triviale: les tentatives pour tirer un électron d'une cellule peut perturber sa fonction, ou de tuer la cellule entière dans le processus. De plus, les techniques actuelles de transfert d'électrons cellulaires à une source externe manque une feuille de route moléculaire, ce qui signifie que même si les électrons ne se présenter en dehors d'une cellule, il n'ya aucun moyen d'orienter leur comportement, voir où ils se sont arrêtés le long du chemin, ou envoyer un signal à l'intérieur des cellules.

«Nous étions intéressés à trouver une voie qui ne serait pas tuer les systèmes vivants, nous avons étudié", a déclaré Heather Jensen, un étudiant diplômé à l'Université de Californie, Berkeley dont la thèse de travail est une partie de cette publication. «En utilisant un système vivant dans l'électronique, nous pouvons créer un jour des biotechnologies qui permet de réparer et de s'auto-répliquer." Dans leur approche, Jensen, Ajo-Franklin et ses collègues ont d'abord cloné une partie de la chaîne de transfert d'électrons extracellulaire de Shewanella oneidensis MR- 1, la marine et les bactéries du sol capables de réduire les métaux lourds dans les environnements sans oxygène. Cette chaîne ou "cassette génétique», Ajo-Franklin note, est essentiellement un segment d'ADN qui contient les instructions pour faire le conduit d'électrons. De plus, parce que toute vie comme nous le savons il utilise l'ADN, la cassette génétique peut être branché dans n'importe quel organisme. L'équipe a montré cette voie électron naturel pourrait être éclaté en une souche (inoffensifs) de coli une bactérie E. modèle polyvalent à la biotechnologie avec précision le canal électrons à l'intérieur d'une cellule vivante à un minéral inorganique: oxyde de fer, aussi connu comme la rouille.

Les bactéries présentes dans les environnements sans oxygène, comme Shewanella, l'utilisation d'oxyde de fer de leur environnement de respirer. En conséquence, ces bactéries ont développé des mécanismes pour le transfert de charge directe des minéraux inorganiques trouvés profondément dans la mer ou le sol. L'équipe de Berkeley Labs ont montré leur conçues E. coli peut réduire efficacement le fer et d'oxyde de fer nanoparticules-cinq fois plus rapide que ce dernier E. coli seul.

«Cette percée récente est partie d'un grand ministère de l'Energie de projet sur la domestication de vie au niveau cellulaire et moléculaire. En interface directe avec les appareils de synthèse des organismes vivants, nous pouvons exploiter les vastes capacités de la vie en photo et conversion d'énergie chimique, la synthèse chimique, et l'auto-assemblage et de réparation ", a déclaré Jay Groves, un scientifique du corps professoral de Berkeley Labs et professeur de chimie à l'Université de Californie, Berkeley. «Les cellules ont des moyens sophistiqués d'électrons et de transfert d'énergie électrique. Cependant, juste coller une électrode dans une cellule est d'environ aussi inefficace que coller votre doigt dans une prise électrique lorsque vous avez faim. Au lieu de cela, notre stratégie est fondée sur les écoutes directement dans la chaîne de transport d'électrons moléculaires utilisés par les cellules pour capturer efficacement l'énergie. "

Les chercheurs envisagent de mettre en œuvre cette cassette génétique chez les bactéries photosynthétiques, comme les électrons cellulaire de ces bactéries peut être produite à partir de la lumière du soleil fournissant à bon marché, auto-réplication des batteries solaires. Ces bactéries réductrices de métal pourrait aussi aider à produire des médicaments pharmaceutiques, Ajo-Franklin, ajoute que l'étape de fermentation dans la fabrication des médicaments nécessite de l'énergie à forte intensité de pompage de l'oxygène. En revanche, ces bactéries respirent conçu en utilisant la rouille, plutôt que de l'oxygène, l'économie d'énergie.

Un document de déclaration de cette recherche, intitulée «Ingénierie d'un conduit d'électrons de synthèse dans les cellules vivantes», apparaît dans les Actes de l'Académie nationale des sciences et est disponible pour les abonnés en ligne. Co-auteur du papier avec Jensen, Ajo-Franklin et Groves ont été Aaron Albers, Konstantin Malley, Yuri Londer, Bruce Cohen, Brett Helms et Peter Weigele.

Des portions de ce travail à la Fonderie Moléculaire ont été soutenus par l'Office of Science du DOE.

Last Update: 3. October 2011 08:13

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