Эти результаты могут предоставить полезную обратную связь для исследований, направленных на повышение электропроводности пилей с помощью генной инженерии, которые впоследствии могут быть использованы для создания недорогих, нетоксичных, наноразмерных биологических источников электричества для легкой электроники и для биоремедиации.Прямое измерение нескольких физических свойств пилей Geobacter sulfurereducens продемонстрировало, что они обладают металлической проводимостью, но несколько исследований показали, что металлическая проводимость маловероятна на основе структур пилюса G. surreducens, предсказанных на основе моделей гомологии. Чтобы дополнительно оценить это несоответствие, пили были исследованы с помощью синхротронной микродифракции рентгеновских лучей и дифракции рентгеновских лучей по кривой качания. Оба метода выявили периодический интервал 0,32 нм в проводящих пилах G. sulfureducens дикого типа, который отсутствовал в непроводящих пилах штамма Aro5, в которых отсутствуют ключевые ароматические кислоты, необходимые для проводимости.
Интенсивность пика 0,32 нм увеличивалась в 100 раз при изменении pH с 10,5 до 2, что соответствует ранее сообщенному 100-кратному увеличению проводимости пилуса при этом изменении pH.Эти результаты предполагают четкую корреляцию между структурой и функцией металлической проводимости, которую можно отнести к перекрывающимся орбиталям ароматических аминокислот.
Модель гомологии пилуса G. sulfureducens была построена с моделью пилуса Pseudomonas aeruginosa в качестве шаблона в качестве альтернативы предыдущим моделям, которые были основаны на структуре пилуса Neisseria gonorrhoeae. Эта альтернативная модель предсказывала, что ароматические аминокислоты в пилях G. surreducens упакованы в пределах от 0,3 до 0,4 нм, что согласуется с экспериментальными результатами.Таким образом, прогнозы моделирования гомологии очень чувствительны к предположениям, заложенным при построении модели. Экспериментальные результаты, представленные здесь, дополнительно подтверждают концепцию, что пили G. surreducens представляют собой новый класс электронно-функциональных белков, в которых ароматические аминокислоты способствуют переносу электронов на большие расстояния.
Механизм переноса электронов на большие расстояния по проводящим пилам G. serreducens представляет интерес, потому что эти «микробные нанопроволоки» важны для биогеохимического цикла, а также для приложений в биоэнергетике и биоэлектронике. Представленные здесь исследования дают важное структурное представление о механизме металлической проводимости пилей G. serreducens.
Ожидается, что эта информация будет полезна при разработке новых биоэлектронных материалов.Это исследование было поддержано Управлением военно-морских исследований (гранты № 00014-12-1-0229 и N00014-13-1-0550).
Частично исследования проводились в Центре функциональных наноматериалов Брукхейвенской национальной лаборатории при поддержке Министерства энергетики США, Управления науки, Управления фундаментальных энергетических наук, в соответствии с контрактом № DE-AC02-98CH10886. Нихил С. Мальванкар получил награду за карьеру в научном интерфейсе от фонда Burroughs Wellcome Fund.
