Bakteriler Tarafından Yapılan Ultra Kararlı Protein Nanotel, İklim Değişikliğiyle Mücadele İçin İpuçları Sağlıyor

Hızlandırılmış iklim değişikliği, Dünya üzerindeki yaşam için büyük ve akut bir tehdittir. Yükselen sıcaklıklar vardır CO’dan 30 kat daha güçlü olan atmosferik metanın neden olduğu2 ısıyı hapsetmede. Bu metanın yarısının üretilmesinden mikroplar sorumludur. Yüksek sıcaklıklar ayrıca mikrobiyal büyümeyi hızlandırıyor ve böylece bitkilerin kullanabileceğinden daha fazla sera gazı üretiyor, böylece dünyanın bir karbon yutağı olarak işlev görme kabiliyetini – ortamların karbondioksiti (CO) emme kabiliyetini zayıflatıyor.2) atmosferden. Artan sıcaklıklar nedeniyle toprak mikropları daha hızlı büyüyor ve CO üretiyor2 kara bitkilerinin kullandığından çok daha hızlı. Böylece, insan yapımı CO nedeniyle küresel ısınma2 ayrıca kara yüzeyinin daha fazla CO salmasına neden oluyor2.

Bu kısır döngüye olası bir çözüm, Dünya’yı koruyan okyanus tortullarından gelen metan akışının %80’ine kadarını yiyen başka tür mikroplar olabilir. Mikropların hem en büyük metan üreticileri hem de tüketicileri olarak nasıl hizmet ettikleri bir sır olarak kaldı çünkü laboratuvarda çalışmak çok zor. Doğa Mikrobiyolojisinde, metan yiyen mikroplar tarafından kullanılan proteine ​​oldukça benzeyen bir proteinin şaşırtıcı tel benzeri özellikleri, Yangqi Gu liderliğindeki protein nanotel ekibimiz tarafından rapor edilmiştir.

Yaygın toprak bakterileri Geobacter elektrik üretmek ve oksijensiz hayatta kalmak için nanotellere ihtiyaç duyarlar. Okyanus çökeltilerinden bazı metan yiyen mikroplar elektrik üretiyor ama tam olarak nasıl bilinmiyor. Laboratuarda çalışmak çok zor olduğu için seçtik. Geobacter Bir model sistem olarak, çünkü metan yiyen mikroplarınkine benzeyen OmcZ adı verilen sitokrom proteinlerinden teller üretiyor.

Ekibimiz daha önce, OmcZ nanotellerinin, aynı bakteri tarafından yapılan başka bir sitokrom OmcS’nin nanotellerinden 1000 kat daha yüksek, yapısal bilginin mevcut olduğu bugüne kadar bilinen en yüksek elektron iletkenliğini gösterdiğini göstermişti. Bakterilerin şimdiye kadar bildirilen en yüksek elektrik gücünü üretmesini sağlar. Ancak bugüne kadar hiç kimse bakterilerin onları nasıl yaptığını ve neden bu kadar yüksek iletkenlik gösterdiğini keşfetmemişti.

Fadel Samatey ve Vishok Srikanth ile birlikte çalışan Yangqi, yüksek çözünürlüklü kriyo-elektron mikroskobu ve genetik olarak Cong Shen tarafından tasarlanan yeni bir türden saflaştırıcı nanoteller kullanarak nanotelin atomik yapısını görebildi ve hemelerin elektronları çok hızlı hareket ettirmek için yakın bir şekilde bir araya geldiğini keşfetti. ultra yüksek stabilite ile. Bu nanotellerin, elektronların hareket ettiği sürekli bir yol oluşturmak için düz bir çizgide sıralanan hemes adı verilen metal içeren moleküllerin benzersiz bir düzenlemesi nedeniyle oldukça iletken olduğunu bulduk. Daha önce hiç kimse böyle bir düzenlemeden şüphelenmemişti. Matthew Guberman-Pfeffer’in hesaplamaları, Prof. Victor Batista’nın tavsiyesiyle, bu heme düzenlemesinin Yangqi tarafından ölçülen farklı eksitonik eşleşmeyi nasıl sağladığını açıkladı.

Şekil 1. Birçok metan yiyen mikrop, OmcZ benzeri nanoteller kullanıyor olabilir

Yangqi’nin yapısı, bakterilerin boyutlarının 100 katının üzerinde elektronları hareket ettirmesine izin vererek, OmcZ nanotelinin oksijen benzeri çözünür, zar tarafından sindirilebilir moleküllerin bulunmadığı aşırı ortamlarda bakterilerin hayatta kalmasındaki fizyolojik rolünü açıklıyor. Ayrıca nanotelin biyofilmlerde mikrobiyal topluluklar oluşturmadaki ekolojik rolünü de açıklıyor.

Yangqi ayrıca, bu nanotellerin, negatif yüklü yüzeyleri ve yine negatif yüklü olan ve nanotel yüzeyine saldıramayan birçok protein parçalayıcı kimyasalın bağlanmasını önleyen ağlar oluşturma yetenekleri nedeniyle ultra kararlı olduğunu da buldu.

Yangqi ayrıca Geobacter olmadan sitokrom nanotellerin sentetik montajını gerçekleştiren ilk kişidir. Kullanmak E-coli Genetiği Yuri Londer tarafından tasarlanan Yangqi, bakterilerin talep üzerine nanotelleri nasıl yaptığını açıklamak için sentetik olarak nanoteller inşa etti. Prof. Kallol Gupta ve Fabian Giska, sentetik OmcZ’nin tarafından yapılanlara benzer olmasını sağlamak için kütle spektrometrisine yardımcı oldu. Geobacter. Bu başarı, kullanarak nanotellerin üretimine izin verecektir. E-coli hem yüksek verimde hem de yüksek saflıkta.

Peki bu bulguları neden önemsemeliyiz? Bunlar bilinen tek nanotellerdir. Geobacter atıkları elektriğe çevirmek için kesinlikle gereklidir. Ek olarak, bakteri olmadan bile, bazı protein nanotelleri ortam neminden elektrik üretebilir. Ekibimiz, bu nanotellerin aynı başarıyı ancak daha verimli bir şekilde elde edip edemeyeceği ve altta yatan mekanizmayı çözüp çözmediği üzerinde çalışıyor. Nanotellerin sürekli enerji toplama stratejisi sağlamdır, aylarca çalışır ve diğer güneş veya rüzgar yaklaşımlarına göre konum veya çevre koşulları tarafından daha az kısıtlanır.

Mikrobiyal nanotellerdeki bu yüksek iletkenliğin keşfi, ortamlardaki çeşitli diğer reaksiyonların da oksidasyon gibi hızlı elektron akışının aracılık ettiği anlamına gelebilir.
organik karbon veya inorganik elektron alıcıları. Bu nedenle, elektron taşıyıcıları olarak küçük moleküllerin difüzyonuna güvenmek yerine, bu da biyoremediasyon, korozyon ve karbon tutma gibi işlemlerde nanoteller yoluyla yeni bir doğrudan elektron akışı modelini içerecektir.

Peki bu nanoteller küresel ısınmaya karşı nasıl yardımcı olabilir? Hem metan tüketen hem de metan üreten mikropların, aksi takdirde yavaş veya termodinamik olarak sürmek için ortaklara ihtiyacı vardır.
bir başkası tarafından gerçekleştirilen olumsuz tepki. Buna benzer proteinler üreten metan yiyen mikroplara ek olarak Geobacter nanoteller, metan üreten mikropların da ortak olduğu düşünülüyor Geobacter ve elektriği nanoteller aracılığıyla paylaşın. Anaerobik metan oksidasyonu gibi birçok işlemin böyle bir mekanizmayı kullandığı düşünülse de, ilgili bileşenler ve yollar henüz tanımlanmıştır. Nanoteller yoluyla mikrobiyal elektron transferi, aynı katalitik başarıyı, küçük moleküllerin hızlı difüzyonuna göre belki daha hızlı ve daha spesifik olarak gerçekleştirebilir (böylece elektronlar yalnızca doğru organizma türleri arasında doğrudan aktarılır).

Aslında, Yangqi’nin biyoinformatik ve AlphaFold modellerini kullanarak yaptığı analiz, nanotel makinelerinin iklimi düzenleyenler de dahil olmak üzere çeşitli bakteri ve arkelerde yaygın olabileceğini öne sürüyor (Şekil 1). Ekibimiz şimdi metan tüketen mikropların benzer heme tellerini nasıl kullandığını anlamak için çalışıyor. Bu nedenle, bu tür nanotellerde elektriği kontrol ederek metan üretimini engellemek ve metan tüketimini teşvik etmek mümkün olabilir; bu, bu proteinlerde elektronların neyin bu kadar hızlı hareket ettiğini ve mikropların bu nanotelleri elektronlarla nasıl yüklediğini bulmayı gerektirir.

Çeşitli mikroplar tarafından kullanılan nanotellerin keşfi, böylece ekoloji ve evrimin yanı sıra mikrobiyal enerji ve metabolizma alanlarında yeni paradigmalara yol açacaktır. Arayüz, mikrobiyoloji ve biyofizik üzerinde çalışmak için gerçekten heyecan verici bir zaman!

Şekil 2. Yangqi’nin tez savunmasını kutlayan Protein Nanowire Laboratuvarı

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir