Eerste stap naar Elektronisch Interfacing Microben met anorganische materialen

Published on October 20, 2010 at 7:24 PM

The Terminator. De Borg. De Man van Zes Miljoen. Science fiction is rijp met biologische wezens gewapend met kunstmatige mogelijkheden. In werkelijkheid echter, de onhandige verbindingen tussen levende en niet-levende werelden vaak niet een duidelijk kanaal voor communicatie.

Nu, wetenschappers met de Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben ontworpen een elektrische koppeling naar levende cellen ontwikkeld om shuttle elektronen over membraan van een cel naar een externe acceptor langs een welomschreven pad. Deze directe kanalen zou kunnen opleveren cellen die kunnen lezen en reageren op elektronische signalen, elektronica die in staat van zelf-replicatie en reparatie, of het efficiënt overdragen zonlicht om in elektriciteit.

Een aangelegde Escherichia coli stam (geel) verbonden aan vast ijzeroxide (zwart). Wetenschappers van de Moleculaire Foundry nam de eerste stap naar elektronisch interfacing microben met anorganische materialen, zonder verstoring van levensvatbaarheid van de cellen. (Foto met dank aan Heather Jensen)

"Melding van de levende en niet-levende werelden is een canonieke afbeelding in science fiction", zegt Caroline Ajo-Franklin, een staf wetenschapper in de biologische nanostructuren faciliteit op moleculair Foundry. "Echter, in de meeste pogingen om-interface levende en niet-levende systemen, je porren cellen met een scherp hard voorwerp, en de cellen reageren op een voorspelbare manier - zij sterven. Maar toch, in de natuur veel organismen zijn geëvolueerd om te interageren met de rotsen en mineralen die deel uitmaken van hun omgeving. Hier hebben we inspiratie van de aanpak van Nature's en eigenlijk de aansluitingen gegroeid uit de cel. "

Aandringen elektronen over een celmembraan is niet triviaal: pogingen om een ​​elektron te trekken van een cel zijn functie kan verstoren, of doden van de hele cel in het proces. Wat meer is, de huidige technieken om de cellulaire elektronen over te dragen aan een externe bron gebrek aan een moleculaire routekaart, wat betekent dat zelfs als elektronen niet opdagen buiten een cel, is er geen manier om hun gedrag te sturen, te zien waar ze stopten langs de weg, of stuur een signaal terug naar de cel interieur.

"We waren geïnteresseerd in het vinden van een route die niet zou doden van de levende systemen waren we het bestuderen", zei Heather Jensen, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Californië, Berkeley die afstuderen werk maakt deel uit van deze publicatie. "Door het gebruik van een levend systeem in de elektronica, kunnen we op een dag maken biotechnologie dat kan herstellen en zichzelf te repliceren." In hun aanpak, Jensen, Ajo-Franklin en zijn collega's eerste gekloonde een deel van de extracellulaire elektron transfer keten van Shewanella oneidensis MR- 1, marine en de bodem bacteriën in staat om het verminderen van zware metalen in zuurstofvrije omgeving. Deze keten of "genetische cassette," Ajo-Franklin notities, is in wezen een stuk DNA dat de instructies voor het maken van het elektron conduit bevat. Bovendien, omdat al het leven zoals we het kennen maakt gebruik van DNA, kan de genetische cassette worden aangesloten op elk organisme. Het team toonde deze natuurlijke elektron weg kan worden geknald in een (onschadelijke) stam van E. coli-een veelzijdig model bacteriën in biotechnologie-precies elektronen kanaal binnen in een levende cel om een ​​anorganische mineralen: ijzer oxide, ook wel bekend als roest.

Bacteriën in een omgeving zonder zuurstof, zoals Shewanella, gebruik van ijzeroxide uit hun omgeving om te ademen. Als gevolg daarvan, hebben deze bacteriën geëvolueerd mechanismen voor directe overdracht van lading naar anorganische mineralen gevonden diep in de zee of de bodem. De Berkeley Labs-team toonden hun gemanipuleerde E. coli kan efficiënt ijzer en ijzeroxide nanodeeltjes-de laatste vijf keer sneller dan E. coli alleen te verminderen.

"Deze recente doorbraak is onderdeel van een groter Department of Energy-project op de domesticatie het leven op cellulair en moleculair niveau. Door direct interfacing synthetische apparaten met levende organismen, kunnen we de enorme mogelijkheden van het leven te benutten in de foto-en chemische omzetting van energie, chemische synthese, en de zelf-assemblage en reparatie ", zegt Jay Groves, een faculteit wetenschapper in Berkeley Labs en professor in de chemie aan de Universiteit van Californië, Berkeley. "Cellen beschikken over geavanceerde manieren van overdracht van elektronen en elektrische energie. Maar net steken een elektrode in een cel is ongeveer net zo ineffectief als steekt je vinger in een stopcontact als je honger hebt. In plaats daarvan is onze strategie gebaseerd is op het aanboren direct in de moleculaire elektronen transportketen worden gebruikt door de cellen om efficiënt te vangen energie. "

De onderzoekers van plan om deze genetische cassette in fotosynthetische bacteriën uit te voeren, zoals cellulaire elektronen van deze bacteriën kan worden geproduceerd uit zonlicht-het verstrekken van goedkope, zelfreplicerende zonne-accu's. Deze metalen-reducerende bacteriën kunnen ook helpen bij het produceren van geneesmiddelen, Ajo-Franklin voegt, als de gisting stap in de drug productie vergt energie-intensieve pompen van zuurstof. In contrast, ademen deze gemanipuleerde bacteriën met behulp van roest, in plaats van zuurstof, energie te besparen.

Een paper over dit onderzoek, getiteld "Engineering van een synthetisch elektron conduit in levende cellen," verschijnt in Proceedings van de National Academy of Sciences en is beschikbaar voor abonnees online. Co-authoring het papier met Jensen, Ajo-Franklin en Groves waren Aaron Albers, Konstantin Malley, Yuri Londer, Bruce Cohen, Brett Helms en Peter Weigele.

Gedeeltes van dit werk op de Moleculaire Foundry werden ondersteund door DOE Office of Science.

Last Update: 3. October 2011 08:13

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit