Life Style

นักวิทยาศาสตร์ค้นพบสวิตช์เปิด-ปิดสำหรับแบคทีเรียที่หายใจเอาไฟฟ้าเข้าไปได้

โครงสร้างเหมือนผม (สีฟ้าอ่อน) ใน Geobacter จุลินทรีย์ผลักสายนาโน (สีแดง) ออกไปทางผิวเซลล์ สายนาโนเหล่านี้ช่วยให้แบคทีเรีย “หายใจออก” ไฟฟ้าได้ (เครดิตรูปภาพ: NIKHIL MALVANKAR / YALE UNIVERSITY)

ใต้ท้องทะเล เด็กน้อย แบคทีเรีย “หายใจออก” กระแสไฟฟ้าผ่านการดำน้ำตื้นที่ยาวและผอม และตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบวิธีเปิดและปิดการหายใจด้วยไฟฟ้าของจุลินทรีย์เหล่านี้

แบคทีเรียที่แปลกประหลาดเหล่านี้อาศัยโปรตีนสองชนิด นักวิจัยรายงานในการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสารเมื่อวันพุธ (1 ก.ย. ) ซึ่งรวมตัวกันเป็นโครงสร้างคล้ายขนเส้นเดียวที่เรียกว่า pilus ธรรมชาติ. pili เหล่านี้จำนวนมากอยู่ใต้เมมเบรนของแบคทีเรียและช่วยดันท่อหายใจออกจากเซลล์และเข้าสู่สภาพแวดล้อมโดยรอบ ทำให้จุลินทรีย์สามารถหายใจได้

การค้นพบนี้ไม่เพียงแต่เผยให้เห็นสิ่งที่ไม่คาดคิดเกี่ยวกับชีววิทยาของแบคทีเรีย แต่ยังสามารถปูทางสำหรับเทคโนโลยีใหม่ ๆ จากจุลินทรีย์ที่มีประสิทธิภาพ- ผู้เขียนอาวุโส Nikhil Malvankar ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านชีวฟิสิกส์ระดับโมเลกุลและชีวเคมีที่สถาบันจุลชีววิทยาแห่งมหาวิทยาลัยเยลได้ขับเคลื่อนแบตเตอรี่ไปสู่การรักษาทางการแพทย์แบบใหม่สำหรับการติดเชื้อแบคทีเรีย กล่าวกับ WordsSideKick.com

ที่เกี่ยวข้อง: สิ่งมีชีวิตสุดขั้วบนโลก: 8 สิ่งมีชีวิตที่แปลกประหลาด

แบคทีเรียอยู่ในสกุล Geobacter และสามารถพบได้ทั่วโลก เติบโตลึกลงไปใต้ดินในดินที่ปราศจากสาร ออกซิเจน . มนุษย์อาศัยออกซิเจนในการเปลี่ยนอาหารให้เป็นพลังงานที่ใช้งานได้และดูดซับ อิเล็กตรอน ที่ตกค้างจากกระบวนการเผาผลาญนี้ หากอิเลคตรอนที่เหลือสะสม พวกมันจะเป็นพิษต่อร่างกายอย่างรวดเร็ว Malvankar กล่าว เช่นเดียวกับมนุษย์ จีโอแบคเตอร์ จุลินทรีย์สร้างของเสียอิเล็กตรอนระหว่างเมแทบอลิซึม แต่พวกมันไม่สามารถเข้าถึงออกซิเจนได้เหมือนที่เราทำ ดังนั้น เพื่อกำจัดอิเล็กตรอนส่วนเกิน แบคทีเรียจะเคลือบตัวเองด้วยเส้นใยบางๆ นำไฟฟ้า เรียกว่าสายนาโน ซึ่งสามารถขนย้ายอิเล็กตรอนออกจากจุลินทรีย์และไปยังแบคทีเรียหรือแร่ธาตุอื่นๆ ในสิ่งแวดล้อมได้ เช่น เหล็ก ออกไซด์

สายนาโนเส้นเล็กเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่า 100,000 เท่า กว่าความกว้างของเส้นผมมนุษย์ และสามารถขนส่งอิเล็กตรอนได้ในระยะทางไกล หลายร้อยถึงหลายพันเท่าของความยาวลำตัวของจุลินทรีย์เดิม Live Science รายงานก่อนหน้านี้.

“ฉันไม่สามารถหายใจได้ ออกซิเจนที่เหมือน 100 เมตร ห่างจากฉัน” มัลวานการ์กล่าว “และอย่างใด แบคทีเรียเหล่านี้ใช้สายนาโนเหล่านี้เหมือนท่อหายใจซึ่งมีขนาด 100 เท่า เพื่อให้สามารถหายใจได้ในระยะทางไกลเช่นนี้” การแสดงที่น่าประทับใจนี้สร้าง กระแสไฟฟ้า ในขณะที่อิเล็กตรอนไหลผ่านสายนาโนที่มีความยาวอย่างต่อเนื่อง

แต่ถึงแม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะค้นพบสายนาโนเหล่านี้ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 แต่ Malvankar และเพื่อนร่วมงานของเขาเพิ่งค้นพบว่าจริงๆ แล้วท่อหายใจแบบเซลลูลาร์ทำมาจากอะไร ในขั้นต้น นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าสายนาโนเป็น pili ความคิดนี้ดูเหมือนจะได้รับการสนับสนุนโดยข้อเท็จจริงที่ว่าถ้าคุณลบยีนที่จำเป็นสำหรับการสร้าง pili ออกจาก Geobacter แบคทีเรีย สายนาโนไม่ปรากฏบนพื้นผิวอีกต่อไป Malvankar กล่าว

แต่ว่า มีปัญหาอยู่แล้ว: โปรตีน Pili ไม่มีโลหะใดๆ เช่น เหล็ก ที่นำไฟฟ้า Malvankar และทีมของเขาได้ตรวจสอบปริศนานี้ในการศึกษาปี 2019 ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร เซลล์ ในระหว่างที่ตรวจสอบ จีโอแบคเตอร์ ใช้แบคทีเรีย กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (cryo-EM) ซึ่งเป็นเทคนิคที่เกี่ยวข้องกับการส่องลำแสงอิเล็กตรอนผ่าน สารที่จะถ่ายภาพโมเลกุลของส่วนประกอบ

ที่เกี่ยวข้อง: แบคทีเรีย ในลำไส้ของคุณผลิตกระแสไฟฟ้า

Illustration shows a close-up of the outside of Geobacter microbes with branching nanowiresAnimation shows a hair-like structure called a pili pushing a nanowire through the membrane of a bacterial cell

Nanowires แตกแขนงออกจากผิวของ จีโอแบคเตอร์ จุลินทรีย์ . (เครดิตรูปภาพ: NIKHIL MALVANKAR / YALE UNIVERSITY)

“นั่นคือเมื่อเราตระหนักว่าไม่มีพิลีบนผิวแบคทีเรียเลย” มัลวานการ์ กล่าวว่า. “นั่นเป็นความประหลาดใจครั้งใหญ่” ทีมงานพบว่าสายนาโนทำมาจาก โปรตีน เรียกว่า cytochromes ซึ่งพร้อมแล้ว ถ่ายโอนอิเล็กตรอนลงไปตามความยาว ดังนั้นจึงสร้างสายนาโนได้ดีกว่าพิลิ ในการศึกษาปี 2020 ที่ตีพิมพ์ในวารสาร เคมีธรรมชาติ ชีววิทยา ทีมงานรายงาน ว่าสายนาโนที่ใช้ไซโตโครมเหล่านี้มีหลาย “รสชาติ” ซึ่งนำไฟฟ้าด้วยระดับประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน

แต่แม้หลังจากที่ทีมเปิดเผย องค์ประกอบทางเคมีของสายนาโน โปรตีน pili ยังคงถูกครอบตัดในการประเมินทางชีวเคมีของ Geobacter แบคทีเรีย. ถ้า pili ไม่ได้นำไฟฟ้า “คำถามใหญ่จริงๆ คือ คุณรู้ไหม pili เหล่านี้ทำอะไรได้บ้าง? พวกเขาอยู่ที่ไหน” Malvankar กล่าว

ในธรรมชาติใหม่ล่าสุดของพวกเขา จากการศึกษา ทีมงานได้ศึกษาโครงสร้างของ pili เหล่านี้อย่างใกล้ชิดมากขึ้น โดยการลบยีนของสายนาโนในห้องปฏิบัติการออกก่อน จีโอแบคเตอร์ ซัลเฟอร์รีดิวเซนส์ เส้นใยนาโนมักจะถูกบล็อกโดยสายนาโน ดังนั้นหากไม่มีโครงสร้างเหล่านั้นขวางทาง เส้นโครงคล้ายขนจะงอกออกมาจากพื้นผิวของเซลล์ สิ่งนี้ทำให้ทีมมีโอกาสตรวจสอบ pili ด้วย cryo-EM ซึ่งเผยให้เห็นโปรตีนสองชนิดที่แตกต่างกัน ได้แก่ PilA-N และ PilA-C ภายในเส้นผมแต่ละเส้น

ทางทีมงานก็ทดสอบดู pili นำไฟฟ้าได้ดีเพียงใด และพบว่า “พวกมันเคลื่อนที่ช้ากว่า OmcZ 20,000 เท่า” ซึ่งเป็นโปรตีน cytochrome ที่ก่อให้เกิดการนำไฟฟ้าได้สูงที่สุด Geobacter นาโนไวร์ Malvankar กล่าว; “พวกมันไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนจริงๆ” ที่กล่าวว่า pili ดูเหมือนว่าพวกเขาจะทำหน้าที่อื่น ทีมงานสังเกตเห็น ในแบคทีเรียสายพันธุ์อื่น พิลีบางตัวจะอยู่ใต้เยื่อหุ้มเซลล์และเคลื่อนที่เหมือนลูกสูบขนาดเล็ก การเคลื่อนไหวนี้ทำให้พวกมันผลักโปรตีนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ขึ้นและออกจากเซลล์ ตัวอย่างเช่น แบคทีเรีย Vibrio cholerae, ซึ่งเป็นสาเหตุของโรคท้องร่วงอหิวาตกโรค ใช้ pili ดังกล่าวเพื่อหลั่งสารพิษอหิวาตกโรค ตามรายงานปี 2010 ในวารสาร โครงสร้างธรรมชาติและอณูชีววิทยา . ในชุดของการทดลอง ทีมงานได้พิจารณาว่า pili ใน Geobacter ทำหน้าที่คล้ายคลึงกัน โดยช่วยดันสายนาโนผ่านเมมเบรนของจุลินทรีย์

“เราพบว่าไซโตโครมคือ ติดอยู่ภายในแบคทีเรียเมื่อไม่มีโปรตีนลูกสูบ” มัลวานการ์กล่าว “และเมื่อเรานำยีนกลับคืนมา ไซโตโครมก็สามารถออกจากแบคทีเรียได้” นี่คือสวิตช์เปิด-ปิดของแบคทีเรีย ทีมงานสรุป

มองไปข้างหน้า นักวิจัยวางแผนที่จะตรวจสอบว่าแบคทีเรียชนิดอื่นๆ อีกกี่ชนิดสร้างสายนาโนและใช้พวกมันในการสูดกระแสไฟฟ้า พวกเขายังสนใจที่จะสำรวจการใช้งานจริงสำหรับการวิจัย

นักวิจัยได้ใช้แล้ว จีโอแบคเตอร์ อาณานิคมที่ขับเคลื่อนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กมาเป็นเวลากว่าทศวรรษ แต่จนถึงตอนนี้ แบตเตอรี่แบคทีเรียเหล่านี้สามารถผลิตพลังงานได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น Live Science รายงานก่อนหน้านี้. ในการวิจัยที่ผ่านมา Malvankar และทีมของเขาพบว่าอาณานิคมสามารถถูกทำให้เป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามากขึ้นภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า ซึ่งอาจช่วยเพิ่มพลังของอุปกรณ์เหล่านี้ ขณะนี้ งานวิจัยใหม่สามารถให้นักวิทยาศาสตร์ควบคุมได้อีกระดับ โดยอนุญาตให้พวกเขาเปิดหรือปิดไฟฟ้า

งานวิจัยนี้อาจนำไปใช้ในด้านการแพทย์และโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการรักษาโรคติดเชื้อแบคทีเรีย Malvankar กล่าว ตัวอย่างเช่น แซลโมเนลลา สามารถเจริญเร็วกว่าแบคทีเรียที่มีประโยชน์ในลำไส้ เพราะสามารถเปลี่ยนจากการหมักซึ่งให้พลังงานอย่างช้าๆ โดยไม่ต้องใช้ออกซิเจน เป็นการหายใจซึ่งให้พลังงานอย่างรวดเร็วและมักต้องการออกซิเจน

Illustration shows a close-up of the outside of Geobacter microbes with branching nanowiresNicoletta Lanese

นิโคเลตตา ลาเนส เป็นนักเขียนประจำ Live Science ที่ครอบคลุมเรื่องสุขภาพและการแพทย์ เรื่องราวทางชีววิทยา สัตว์ สิ่งแวดล้อม และสภาพอากาศ เธอจบปริญญาด้านประสาทวิทยาศาสตร์และการเต้นรำจากมหาวิทยาลัยฟลอริดา และประกาศนียบัตรบัณฑิตด้านการสื่อสารวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาครูซ ผลงานของเธอได้ปรากฏในนิตยสาร The Scientist, Science News, The San Jose Mercury News และ Mongabay รวมถึงช่องทางอื่นๆ

  • จ.ตรังủ
  • ธุรกิจ
  • อาหาร
  • ไลฟ์สไตล์
  • เทค
  • นักการตลาดดิจิทัล (การตลาดดิจิทัล)

Back to top button