Primo passo verso elettronicamente Interfacciamento microbi con composti inorganici

Published on October 20, 2010 at 7:24 PM

Terminator. I Borg. The Six Million Dollar Man. La fantascienza è maturo con gli esseri biologici armati con capacità artificiale. In realtà, tuttavia, i collegamenti tra i mondi clunky viventi e non viventi spesso mancano di un canale libero per la comunicazione.

Ora, gli scienziati con il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno progettato un collegamento elettrico per le cellule viventi progettato per elettroni navetta attraverso la membrana di una cellula di un accettore esterno lungo un percorso ben definito. Questo canale diretto potrebbe produrre cellule in grado di leggere e rispondere ai segnali elettronici, elettronica in grado di auto-replicazione e la riparazione, o trasferire in modo efficiente la luce solare in energia elettrica.

Un progettato ceppo di Escherichia coli (giallo) connessi a ossido di ferro solido (nero). Gli scienziati della Fonderia molecolare ha preso il primo passo verso l'interfacciamento elettronico microbi con materiali inorganici, senza interrompere la vitalità cellulare. (Foto: Heather Jensen)

"Mescolando il mondo vivente e non vivente è l'immagine canonica nella fantascienza", ha detto Caroline Ajo-Franklin, uno scienziato del personale nel Fondo per Nanostrutture Biologiche presso la Fonderia molecolare. "Tuttavia, nella maggior parte dei tentativi di interfacciare i sistemi viventi e non viventi, è colpire le cellule con un oggetto appuntito duro, e le cellule rispondono in modo prevedibile - muoiono. Eppure, in natura molti organismi si sono evoluti per interagire con le rocce e minerali che fanno parte del loro ambiente. Qui, abbiamo preso ispirazione da approccio della Natura ed effettivamente cresciuto i collegamenti fuori dalla cella ".

Lusinghe elettroni attraverso una membrana cellulare non è banale: i tentativi di estrarre un elettrone da una cellula può interrompere la sua funzione, o uccidere l'intera cella nel processo. Cosa c'è di più, le attuali tecniche di trasferire elettroni cellulare per una sorgente esterna manca una roadmap molecolare, il che significa che anche se gli elettroni ci si presenta all'esterno di una cellula, non c'è modo di dirigere il loro comportamento, vedere dove si fermarono lungo la strada, o inviare un segnale al interno della cellula.

"Eravamo interessati a trovare un percorso che non avrebbe ucciso i sistemi viventi stavamo studiando", ha detto Heather Jensen, uno studente laureato presso l'Università di California, Berkeley, il cui lavoro di tesi è parte di questa pubblicazione. "Utilizzando un sistema vivente in elettronica, è possibile un giorno creare biotecnologie in grado di riparare e di auto-replicarsi." Nel loro approccio, Jensen, Ajo-Franklin e colleghi hanno clonato una parte della catena di trasferimento extracellulare di elettroni di Shewanella oneidensis MR- 1, marini e batteri del suolo in grado di ridurre i metalli pesanti in ambienti privi di ossigeno. Questa catena o "cassetta genetica" Ajo-Franklin note, è essenzialmente un tratto di DNA che contiene le istruzioni per fare il condotto di elettroni. Inoltre, poiché tutta la vita come noi la conosciamo utilizza il DNA, la cassetta genetica può essere collegato a qualsiasi organismo. Il team ha dimostrato questo percorso di elettroni naturale potrebbe essere spuntato in una (innocua) ceppo di E. coli, un batterio modello versatile nel campo delle biotecnologie, sul canale precisamente gli elettroni all'interno di una cellula vivente ad un inorganico minerale: ossido di ferro, anche noto come ruggine.

I batteri in ambienti senza ossigeno, come Shewanella, l'uso di ossido di ferro dal loro ambiente di respirare. Come risultato, questi batteri si sono evoluti meccanismi per il trasferimento di carica diretto ai minerali inorganici trovano in profondità nel mare o nel terreno. Il team di Berkeley Labs hanno mostrato il loro progettato E. coli può efficacemente ridurre ferro e nanoparticelle di ossido di ferro, questi ultimi cinque volte più veloce di E. coli da solo.

"Questa recente scoperta è parte di un reparto più grande di progetto energia sulla addomesticare la vita a livello cellulare e molecolare. Direttamente da interfacciare dispositivi di sintesi con gli organismi viventi, possiamo sfruttare le capacità vasta della vita in foto e la conversione dell'energia chimica, sintesi chimica, e di auto-assemblaggio e la riparazione, "ha dichiarato Jay Groves, uno scienziato facoltà ai laboratori di Berkeley e professore di chimica presso l'Università di California, Berkeley. "Le cellule hanno modi sofisticati trasferimento di elettroni e di energia elettrica. Tuttavia, solo attaccare un elettrodo in una cella è quanto di più inefficace come attaccare le dita in una presa elettrica quando si ha fame. Invece, la nostra strategia si basa su intercettazioni direttamente nella catena di trasporto degli elettroni molecolare utilizzato dalle cellule per catturare in modo efficiente l'energia. "

I ricercatori hanno in programma di implementare questa cassetta genetico nei batteri fotosintetici, come gli elettroni cellulari da questi batteri possono essere prodotti dalla luce solare, che fornisce a basso costo, batterie solari auto-replicanti. Questi metalli riducendo i batteri potrebbero anche essere utili nella produzione di farmaci, aggiunge Ajo-Franklin, in quanto la fase di fermentazione nella produzione della droga richiede alta intensità di energia di pompaggio di ossigeno. Al contrario, questi batteri ingegnerizzati respirare con la ruggine, invece di ossigeno, il risparmio energetico.

Un documento di reporting questa ricerca, intitolato "Progettazione di un condotto di elettroni di sintesi nelle cellule viventi," appare in Atti della National Academy of Sciences ed è disponibile per gli abbonati online. Co-autore del Libro con Jensen, Ajo-Franklin e Groves sono stati Aaron Albers, Konstantin Malley, Yuri Londer, Bruce Cohen, Brett Helms e Peter Weigele.

Parti di questo lavoro alla Fonderia molecolare sono state supportate da Office DOE della Scienza.

Last Update: 3. October 2011 08:13

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