Nanocable bacteriano

Os nanocables bacterianos (tamén chamados nanocables microbianos) son apéndices que conducen electricidade presentes en varias especies bacterianas, entre as que salientan as dos xéneros Geobacter e Shewanella. A existencia de nanocables condutores foi confirmada na cianobacteria oxixénica Synechocystis PCC6803 e nun cocultivo metanoxénico termófilo, constituído por Pelotomaculum thermopropionicum e Methanothermobacter thermoautotrophicus. Desde as perspectivas fisiolóxica e funcional, os nanocables bacterianos son bastante diversos. O papel preciso que desempeñan os nanocables bacterianos nos seus sistemas biolóxicos non se comprende de todo, pero propuxéronse para eles varias funcións. Fóra dos ambientes naturais, os nanocables bacterianos mostraron ter unha utilidade potencial en varios campos, notablemente nas industrias da bioenerxía e biorremediación. Fisioloxía
Orixinalmente pensábase que os nanocables de Geobacter eran pili modificados, que se usaban para establecer conexións con aceptores terminais de electróns durante algúns tipos de respiración anaerobia. Posteriores investigacións mostraron que os nanocables de Geobacter están compostos por citocromos amontoados, concretamente OmcS e OmcZ. Malia seren fisioloxicamente distintos dos pili, os nanocables bacterianos descríbense a miúdo como un tipo de pili debido á confusión inicial sobre a súa interpretación que houbo despois do seu descubrimento. Estes nanocables de citocromos ordenadamente amontoados forman unha matriz continua de hemos, que estabilizan o nanocable por empillamento pi ( pi-stacking) e proporcionan unha vía para o transporte de electróns. Especies do xénero Geobacter usan nanocables para transferir electróns a aceptores de electróns extracelulares (como os óxidos de Fe(III)). Esta función foi descuberta polo exame de mutantes, cuxos nanocables podían adherirse ao ferro, pero non podían reducilo.
Os nanocables de Shewanella tampouco son tecnicamente pili, senón extensións da membrana externa que conteñen o decahemo de citocromos MtrC e OmcA da membrana bacteriana externa. A presenza de citocromos da membrana externa e a falta de condutividade en nanocables no mutante deficiente en MtrC e OmcA apoia de forma directa o mecanismo multietapas saltador proposto para o transporte de electróns a través de nanocables de Shewanella.
Adicionalmente, os nanocables poden facilitar unha transferencia de electróns de longo rango a través de grosas capas de biopelículas. Ao conectárense a outras células que os rodean, os nanocables permiten ás bacterias situadas en ambientes anóxicos seguir usando o oxíxeno como o seu aceptor terminal de electróns. Por exemplo, sábese que os organismos do xénero Shewanella forman nanocables condutores de electricidade en resposta á limitación electrón-aceptor. Historia
O concepto de electromicrobioloxía leva utilizándose desde o 1900, cando unha serie de descubrimentos atoparon células con capacidade de producir electricidade. En 1911 Michael Cressé Potter demostrou por primeira vez que as células podían converter a enerxía química en enerxía eléctrica. Mais ata 1988 non se observou o transporte electrónico extracelular cos descubrimentos independentes das bacterias Geobacter e Shewanella e os seus respectivos nanocables. Desde entón, identificáronse outros microbios que presentan nanocables, pero os dous primeiros xéneros mencionados continúan sendo os que foron máis intensamente estudados. En 1998, observouse a transferencia de electróns extracelular nunha instalación de cela de combustible microbiana por primeira vez usando a bacteria Shewanella para reducir un eléctrodo de Fe(III). En 2010, demostrouse que os nanocables bacterianos facilitaban o fluxo de electricidade en bacterias Sporomusa. Este foi o primeiro exemplo observado de transmisión de electróns extracelular usado para dirixir electróns desde o ambiente á célula. Segue investigándose para explorar os mecanismos, implicacións e potenciais aplicacións dos nanocables e os sistemas biolóxicos dos que forman parte. Implicacións e aplicacións potenciais
Implicacións biolóxicas
Os microorganismos usan os nanocables para facilitar o uso de metais extracelulares como aceptores terminais de electróns extracelulares nunha cadea de transporte de electróns. O alto potencial de redución dos metais que reciben os electróns pode orixinar unha considerable produción de ATP. Ademais, o grao de implicacións que supón a existencia destes nanocables bacterianos non se comprende totalmente. Especulouse que os nanocables poden funcionar como condutos para o transporte de electróns entre diferentes membros da comunidade microbiana. Isto permitiría unha retroalimentación regulatoria ou outra comunicación entre membros da mesma ou incluso de diferentes especies microbianas. Algúns organismos poden tanto expulsar coma captar electróns por medio dos nanocables. Estas especies probablemente poderían oxidar metais extracelulares usándoos como unha fonte de electróns ou enerxía para facilitar procesos celulares que consomen enerxía. Os microbios tamén poderían potencialmente usar os nanocables temporalmente para almacenar electróns sobre metais. Acumular unha concentración de electróns sobre un ánodo metálico dá a posibilidade ás células de poder despois utilizar isto para alimentar enerxeticamente a actividade metabólica. Aínda que estas posibles implicacións proporcionan unha hipótese razoable sobre o papel dos nanocables bacterianos nun sistema biolóxico, cómpre realizar máis investigacións para chegarmos a comprender totalmente o grao no que as especies celulares se benefician do uso de nonocables.
Aplicacións bioenerxéticas en celas de combustible microbianas
En celas de combustible microbianas os nanocables bacterianos xeran electricidade por medio dun transporte de electróns extracelular ao ánodo da cela de combustible. As redes de nanocables potencian a produción de electricidade das celas de combustible microbianas cunha condutividade eficaz e de longo rango. En concreto, os nanocables bacterianos de Geobacter sulfurreducens posúen unha condutividade similar á dos metais, producindo electricidade a niveis comparables aos de nanoestruturas metálicas sintéticas. Cando as cepas bacterianas son manipuladas xeneticamente para impulsar a formación de nanocables, xeralmente obsérvanse rendementos eléctricos maiores. Cubrir os nanocables con óxidos de metais tamén promove adicionalmente a condutividade eléctrica. Ademais, estes nanocables poden transportar electróns a distancias de varios centímetros. A transferencia de electróns de rango longo por redes de nanocables microbianos permite que células viables que non están en contacto directo cun ánodo contribúan ao fluxo de electróns.
Ata agora, a corrente producida por nanocables bacterianos é moi baixa. A través dunha biopelícula de 7 micrómetros de grosor, informáronse de densidades de corrente de arredor de 17 microamperes por centímetro cadrado e de voltaxes de arredor de 0, 5 volts.
Outras aplicacións significativas
Os nanocables microbianos de Shewanella e Geobacter son unha axuda na biorremediación de augas subterráneas contaminadas con uranio. Para demostrar isto, os científicos compararon e observaron a concentración de uranio eliminado por cepas con pili e sen pili de Geobacter. Por medio dunha serie de experimentos controlados, puideron deducir que os nanocables presentes eran máis efectivos na mineralización do uranio comparados cos mutantes sen nanocables.
Outra aplicación significativa dos nanocables bacterianos dáse na industria bioelectrónica. Tendo en mente o uso de recursos sustentables, os científicos propuxeron o futuro uso da biopelículas de Geobacter como unha plataforma de transistores e supercapacitadores funcionais baixo a auga, con capacidade de autorrenovar a enerxía.
En 2020 fíxose a demostración dun memristor difusivo fabricado a partir de nanocables de proteínas da bacteria Geobacter sulfurreducens, que funciona a voltaxes substancialmente máis baixas que as anteriormente descritas e pode permitir a construción de neuronas artificiais, que funciona a voltaxes de potenciais de acción biolóxicos. Os nanocables bacterianos son distintos dos nanocables de silicio utilizados tradicionalmente porque mostran un maior grao de biocompatibilidade. Cómpre realizar máis investigacións neste eido, pero os memristores poderían chegar a usarse para procesar directamente sinais biosensoras, así como para a computación neuromórfica e/ou a comunicación directa con neuronas biolóxicas.