Des microbiologistes dirigés par Derek Lovley à l'Université du Massachusetts Amherst, qui est internationalement connu pour avoir découvert des microfilaments ou « nanofils » électriquement conducteurs dans la bactérie Geobacter, annoncent dans un nouvel article ce mois-ci qu'ils ont découvert des structures inattendues chez de nombreuses autres espèces, élargissant considérablement le domaine de la recherche sur les filaments électriquement conducteurs. Les détails apparaissent en ligne dans le Journal de la Société internationale d'écologie microbienne .

Loveley, qui a publié son premier article décrivant Geobacter il y a 30 ans, explique, "Geobacter a développé ces filaments spéciaux avec une sous-unité de base très courte appelée pilin qui s'assemble pour former de longues chaînes qui ressemblent à une corde torsadée. La plupart des bactéries ont une sous-unité de base qui est deux à trois fois plus longue. Avoir des pili ou e-pili électriquement conducteurs est un événement évolutif récent de Geobacter, donc l'hypothèse de travail était que cette capacité ne se trouverait que chez ses proches parents."

Il ajoute, "C'était surprenant pour nous, et je pense que beaucoup de gens seront surpris d'apprendre, que le concept selon lequel les microbes ont besoin de la sous-unité piline courte pour produire des e-pili est faux. Nous avons découvert que certains pilins beaucoup plus gros peuvent également produire des e-pili et que la capacité d'exprimer des e-pili est apparue indépendamment plusieurs fois dans l'évolution de divers groupes microbiens. un rôle important dans le cycle biogéochimique du carbone et des métaux et ont des applications potentielles en tant que matériaux électroniques « verts ».

Lovley dit, "C'est un grand développement, car maintenant le champ va s'élargir. Les microbiologistes savent maintenant qu'ils peuvent travailler avec d'autres microbes pour étudier les filaments électriquement conducteurs. Nous avons trouvé une large gamme de microbes qui ont cela. Une chose intéressante que nous pouvons déjà signaler est que certaines des nouvelles bactéries que nous avons identifiées ont des filaments jusqu'à 10 nanomètres de diamètre. Les filaments de Geobacter sont très fins, à peine trois nanomètres de diamètre. Pour la construction d'appareils électroniques tels que des capteurs à nanofils, il est beaucoup plus facile de manipuler des fils plus gros. Il sera également plus simple d'élucider les caractéristiques structurelles qui confèrent une conductivité aux fils plus épais, car il est plus facile de résoudre leur structure."

Il espère que la découverte de nanofils protéiques électriquement conducteurs supplémentaires contribuera à un « vert, " révolution durable dans la fabrication électronique. " Notre système actuel d'utilisation d'une énergie considérable et de ressources rares pour produire de l'électronique, puis les jeter dans des décharges toxiques à l'étranger, n'est pas durable, " dit Lovley. La production de matériaux biologiques électroniques avec des microbes peut être réalisée sans produits chimiques agressifs et nécessite des apports énergétiques inférieurs, fait-il remarquer. "Et les microbes mangent à bon marché. Dans le cas de Geobacter, nous les nourrissons essentiellement de vinaigre."

Lovley et ses collègues rapportent que "des souches de G. sulfurreducens produisant des densités de courant élevées, qui ne sont possibles qu'avec e-pili, ont été obtenus avec des gènes piline de Flexistipes sinusarabici, Calditerrivibrio nitroreducens et Desulfurivibrio alkaliphilus. La conductance des pili de ces souches était comparable à celle des e-pili natifs de G. sulfurreducens."

Dans les années récentes, les microbiologistes et physiciens d'UMass Amherst travaillant avec les espèces de Geobacter ont développé une hypothèse sur la façon dont ses e-pili sont capables de conduire le courant électrique sur la base de la présence d'acides aminés aromatiques dans les sous-unités pilin. Ils ont utilisé cette caractéristique - une densité élevée d'acides aminés aromatiques et un manque de lacunes substantielles sans aromatiques le long des chaînes de piline - pour sélectionner des gènes pili candidats d'autres micro-organismes, y compris de nombreux micro-organismes difficiles à cultiver.

L'utilisation de cette technique "révèle de nouvelles sources de matériaux électroniques à base biologique et suggère qu'une large diversité phylogénétique de micro-organismes peut utiliser les e-pili pour l'échange d'électrons extracellulaire, » rapportent-ils. Pour tester et valider leurs résultats de dépistage biologique, ils ont retiré les gènes pilin natifs de Geobacter et les ont remplacés par des gènes Calditerrivibrio, par exemple, puis placé cet organisme génétiquement modifié dans une pile à combustible microbienne pour voir s'il produirait du courant électrique. Dans plusieurs cas, ils l'ont fait, dit Loveley.

Lovley a découvert Geobacter lorsqu'il a été embauché par le US Geological Survey pour mener son premier projet de microbiologie sur la qualité de l'eau dans la rivière Potomac, en particulier pour comprendre quels microbes influençaient les efflorescences algales alimentées par les phosphates dans les sédiments fluviaux. Il se souvient, « La plupart des scientifiques, y compris les microbiologistes, pensaient qu'une réaction chimique était responsable des transformations du fer dans la boue qui libéraient les phosphates associés sous forme de pollution dans l'eau. Cependant, quand nous avons examiné cela plus loin, il était clair que des micro-organismes étaient impliqués et cela nous a conduit à la découverte de Geobacter."

Au cours des années, d'autres caractéristiques uniques de Geobacter ont donné lieu à de nombreuses « premières en microbiologie » dans les domaines de la biogéochimie, bioremédiation et énergies renouvelables. Loveley dit, « Maintenant, Geobacter nous a attirés dans l'électronique. Je suis ravi de découvrir si ces nouveaux nanofils de protéines électriquement conducteurs provenant d'autres bactéries pourraient fonctionner encore mieux que les fils Geobacter pour des applications telles que les capteurs biomédicaux. La méthode de dépistage simple décrite dans notre article consiste à identifier gènes pour les fils conducteurs dans divers micro-organismes qui peuvent s'appuyer sur la signalisation électrique pour des fonctions uniques d'importance biomédicale et environnementale."