Site Sponsors
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions

UMass Forskere Oppdag Interspecies Electron Transfer i Mikroorganismer

Published on December 3, 2010 at 5:22 AM

University of Massachusetts Amherst mikrobiologer Derek Lovley, Zarath Summers og kolleger rapport i den 2 desember utgaven av Science at de har oppdaget en ny samarbeidende oppførsel i anaerobe bakterier, kjent som interspecies elektron overføring, som kunne ha viktige implikasjoner for den globale karbonsyklusen og bioenergi.

Forskerne fant at mikroorganismer av forskjellige arter, i dette tilfellet to Geobacter arter kan danne direkte elektriske koblinger og passerer en elektrisk strøm fra en mikrobe til den andre. Ved å samarbeide på denne måten de to mikrober kan konsumere mat som ingen av dem kunne bruke på egenhånd.

Cellen aggregater eller "Great Balls of evolution" som Summers utviklet i laboratoriet ser veldig mye som de som finnes i naturen som er involvert i nedverdigende organisk materiale i klimagassene karbondioksid og metan. Konvertering av avfall til metan ved mikrobiell tilslag er en stadig mer populær metode for å produsere naturgass som en fornybar energikilde.

Andre kan bli funnet forbruker metan fra åpninger på bunnen av havet. I begge tilfeller har etterforskerne vært rådvill i mange år om hvordan disse aggregatene funksjon, fordi en 40 år gammel interspecies hydrogen overføre paradigmet ikke synes å passe observasjoner. Nå synes mysteriet å være løst.

Som Lovley, rektor investestigator, forklarer: "Vi plasserte mikrober under forhold hvor de måtte jobbe sammen for å overleve og vokse ved hjelp av alkohol vi gav dem som en energikilde. De er den ultimate drikker kompiser, samarbeider for å konsumerer etanol. " Med støtte fra Genomisk Science Program av US Department of Energy, har hans lab vært å utnytte muligheten for mikroorganismer til å tilpasse seg nye forhold og utvikling av mikrober for praktiske anvendelser.

Det har vært kjent siden 1960 at mikroorganismer kan indirekte utveksle elektroner gjennom den prosessen som kalles interspecies hydrogen overføring. I den produserer en mikrobe hydrogen at en annen mikrobe da forbruker. Det var eksperimenter carrried ut av doktoranden Summers å utforske dette fenomenet videre som førte til oppdagelsen av det nye direkte overføring prosess.

Til å begynne, sette Summers to arter av Geobacter sammen under forhold forventes å favorisere hydrogen-deling interaksjoner. I begynnelsen gjorde cellene samarbeider om å konsumere alkohol ved å dele hydrogen. Over tid, de også startet klumper sammen og transformere kulturen fra en av dispergert mikroskopiske celler, usynlig for det blotte øye, til en samling av komplekse flercellede strukturer, millimeter i diameter.

Motstå hennes lab kompiser 'vannlatingstrang å riste de kulturer og bryte opp det uventede celle klumper, fortsatte Summers å la kulene til å vokse. Nå var de utviser en dyp rød farge på grunn av tilstedeværelsen av jern inneholder proteiner som kalles cytokrom. Når observert med et elektronmikroskop, hadde de tydelig utviklet et intrikat struktur med en rekke kanaler, antakelig for å hjelpe næringsstoffer inn. De hadde også etablert helt nye elektriske forbindelser som tillot dem å direkte dele elektroner.

"Den direkte elektron overføring er mye mer effektiv og de inntar alkohol mye raskere på denne måten," Summers påpeker. Sekvensere DNA i store røde ballene avslørt hemmeligheten til denne elektrisk tilkobling: en mutasjon i ett av Geobacter artene hadde forårsaket det å gjøre mye mer av en cytokrom kjent som OmcS. Tidligere studier i Lovely er lab hadde vist at OmcS linjene opp langs Geobacter er elektrisk ledende filamenter kjent som mikrobiell nanotråder.

"Denne vendingen antydet at cytokrom var nøkkelen til den elektriske forbindelsen mellom cellene" sier Summers. Dette ble bekreftet i senere eksperimenter med genetisk manipulert mikrober. Når forskerne slettes gener for cytokrom eller nanotråder, gjorde mikrobene ikke danne røde ballene og aldri effektivt brukt sine alkohol drivstoff. Lovley, Summers og kolleger hadde dermed fant frem til kilden av mikrober 'nye atferd.

Videre forsøk viste at dersom mutasjonen ble introdusert før du setter de to Geobacters sammen, de raskt dannet ballene og konsumert alkohol. Slette et gen som ville være nødvendig for cellene å utveksle hydrogen også skyndte ball formasjon, viser at interspecies hydrogen overføringen var ikke en viktig faktor. "Dette er et klart tilfelle av livet utvikler seg til å fungere mer effektivt i et nytt miljø", sier Lovley.

Last Update: 26. October 2011 15:49

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