Молекулярный танец, с помощью которого уникальная бактерия переносит электроны

Бактерия Shewanella oneidensis, известная как "электрическая бактерия", для выживания должна переносить электроны изнутри клетки на внешнюю поверхность, чтобы "дышать", подобно тому как люди передают электроны кислороду в лёгких. Учёные под руководством Моха Эль-Наггара из Университета Южной Калифорнии десятилетие изучали, как микробам удаётся передавать заряд на относительно большие расстояния (для микроба длиной в 100 раз меньше ширины человеческого волоса).

Ранее команда показала, что электроны на поверхности клетки и вдоль мембранных нанопроводов переносят небольшие железосодержащие белки — цитохромы. Однако для передачи электронов друг другу белки должны находиться в непосредственной близости, что не всегда так. Возник вопрос: как ток течёт между белками, которые не контактируют напрямую?

Эль-Наггар предположил, что белки могут двигаться и сталкиваться, передавая электроны. Чтобы проверить это, потребовалось в реальном времени увидеть траектории движения микроскопических молекул. На помощь пришёл метод визуализации отдельных молекул с использованием квантовых точек — кристаллов, светящихся под микроскопом как миниатюрные лампочки.

Постдок Грейс Чонг разработала способ прикрепить квантовые точки к отдельным белкам. С помощью микроскопа и программного обеспечения для отслеживания отдельных частиц в лаборатории Фабьена Пино команда смогла снять "таймлапс-фильмы", показывающие движение светящихся красным точек по поверхности клеточной мембраны и бактериальных нанопроводов.

"Впервые мы можем видеть, что [белки] движутся, сталкиваются, их траектории перекрываются и прокладывают путь для дальнего переноса электронов вдоль клеток и мембранных нанопроводов", — говорит Чонг.

На основе собранных данных команда провела симуляции, чтобы рассчитать, как быстро электроны движутся по поверхности клетки или мембранного нанопровода. Эта скорость имеет важное значение для разработки новых технологий, использующих электрических бактерий, поскольку показывает максимальный заряд, который они могут передать.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), открывает перспективы для создания "живой" электроники, например, бактериальных сенсоров, работающих внутри человеческого тела или обнаруживающих загрязнения в окружающей среде.