Le débat scientifique a été animé ces derniers temps sur la question de savoir si les nanofils microbiens, les pili électriques spécialisés de la bactérie anaérobie vivant dans la boue Geobacter sulfurreducens , possèdent vraiment une conductivité de type métallique comme le prétendent ses découvreurs. Mais maintenant, le microbiologiste Derek Lovley de l'Université du Massachusetts Amherst, avec le chercheur postdoctoral Nikhil Malvankar et ses collègues, disent qu'ils ont réglé le différend entre les scientifiques théoriques et expérimentaux en concevant une combinaison de nouvelles expériences et une meilleure modélisation théorique.

Dans une série d'articles remontant à 2011, Le groupe de Loveley a fourni plusieurs lignes de preuves expérimentales que Géobactérie les pili conduisent les électrons grâce à l'interaction étroite des acides aminés aromatiques dans la structure du filament de la protéine. Comme l'explique Malvankar, "Les électrons circulent comme dans un fil de cuivre, d'où le terme de conductivité de type métallique." Cependant, au cours des deux dernières années, de nombreux groupes de modélisateurs théoriques ont publié des articles concluant que les résultats de Lovley et Malvankar sont impossibles.

Mais, dit Lovley, "À mon avis, les données expérimentales l'emportent sur la modélisation. Comme l'a dit le regretté physicien Richard Feynman, 'Peu importe à quel point votre théorie est belle, peu importe à quel point vous êtes intelligent. S'il n'est pas d'accord avec l'expérience, c'est faux.'"

A la recherche d'encore plus de données expérimentales, Malvankar s'est rendu au Brookhaven National Laboratory pendant deux ans pour évaluer davantage la structure de Géobactérie pili avec des approches sophistiquées, notamment la microdiffraction des rayons X synchrotron et la diffraction des rayons X à courbe oscillante. Il a trouvé un espacement périodique de 3,2 angströms des acides aminés aromatiques dans le Géobactérie pili, beaucoup plus proches que les modèles théoriques ne le prévoyaient. Les résultats apparaissent dans le numéro actuel de la revue mBio .

Adorable dit, "Dans les expériences de Nikhil, nous voyons une signature claire de l'emballage serré des acides aminés aromatiques. Les pili non conducteurs en manquent. Aussi, quand Nikhil a acidifié les pili, il y avait une augmentation du tassement des aromatiques proportionnellement à une augmentation de leur conductivité. Ces résultats sont cohérents avec notre concept de conductivité de type métallique dans le pili. Aucun des modèles qui ont rejeté notre hypothèse n'était cohérent avec ces résultats."

Pour mieux comprendre le manque de correspondance entre les expériences et les modèles, Malvankar a fait équipe avec Eric Martz, Professeur émérite UMass Amherst et expert en modélisation des protéines. Ils ont découvert que le fait de changer une hypothèse simple dans la construction du modèle pili a radicalement changé le résultat. Malvankar explique, "Les modèles précédents ont commencé avec un gabarit de la structure pour Neisseria gonorrhoeae pili. Cependant, Géobactérie pili sont en fait plus étroitement liés à ceux de Pseudomonas aeruginosa . Notre modèle est basé sur Pseudomonas ."

Le modèle de Malvankar prédit un compactage dense d'acides aminés aromatiques en accord avec leurs résultats expérimentaux et l'hypothèse selon laquelle Géobactérie les pili possèdent une conductivité de type métallique.

Martz met en garde, "Nous ne prétendons pas que notre modèle est correct à 100%. En fait, nous sommes sûrs que non. Mais les autres modèles ne peuvent tout simplement pas expliquer les résultats expérimentaux. Notre fait. Aussi, la conductivité vient d'une protéine. Les scientifiques ont toujours dit que les protéines ne peuvent pas remplir cette fonction. Nous avons trouvé non seulement qu'ils le font, mais ils le font aussi bien. C'est fondamentalement une découverte tellement intéressante que les scientifiques devront y prêter attention."

Cette découverte, soutenu par un financement de l'Office of Naval Research des États-Unis, devrait aider à concevoir d'autres bactéries pour produire des nanofils microbiens avec des méthodes de biologie synthétique. Par exemple, Le laboratoire de Lovley a inventé une forme artificielle de photosynthèse dans laquelle les microbes utilisent de l'électricité renouvelable pour convertir le dioxyde de carbone en carburants et autres produits chimiques organiques. Il dit, "Mieux nous comprendrons le fonctionnement des nanofils microbiens, meilleures sont nos chances d'optimiser l'échange d'électrons électrode-microbe."

Malvankar ajoute, "There is also the opportunity to capitalize on the fundamental design principles that nature is teaching us to produce novel electronic materials in a sustainable way." Dans la nature, Geobacter use their microbial nanowires to breathe; they transfer electrons onto iron oxides, minéraux naturels ressemblant à de la rouille dans le sol, which serve the same function for these bacteria that oxygen does in humans. "Quoi Geobacter can do with its nanowires is akin to breathing through a snorkel that's 10 kilometers long, " il dit.

Others in Lovley's group have shown that Geobacter uses microbial nanowires to electrically communicate with other microbial species. This cooperative electron sharing is important in the conversion of organic wastes to methane, an effective bioenergy strategy. Nanowires are also key components of ongoing studies by Lovley's lab to build biocomputers and novel biosensors. The UMass Amherst team is now working on a "pili factory" to make purified Geobacter pili freely available to other researchers, to repeat these experiments or carry out other studies.