นักวิทยาศาสตร์ค้นพบสวิตช์เปิด-ปิดสำหรับแบคทีเรียที่หายใจเอาไฟฟ้าเข้าไปได้

“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

Live Science รายงานก่อนหน้านี้ . ในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนต่ำของลำไส้ Salmonella ใช้สารประกอบที่เรียกว่า tetrathionate แทนออกซิเจน ดังนั้นจึงสามารถเอาชนะแบคทีเรียที่เป็นประโยชน์ในร่างกายได้

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