Эксперимент и теория наконец объединились в споре о микробных нанопроводах

Научные дебаты о том, обладают ли микробные нанопровода — специализированные электрические пили анаэробной бактерии Geobacter sulfurreducens — металлоподобной проводимостью, как утверждают их первооткрыватели, были жаркими. Однако микробиолог Дерек Ловли из Массачусетского университета в Амхерсте вместе с постдоком Нихилом Малванкаром и коллегами утверждают, что разрешили спор между теоретиками и экспериментаторами, разработав комбинацию новых экспериментов и улучшенного теоретического моделирования.

Начиная с 2011 года, группа Ловли в серии статей представила несколько линий экспериментальных доказательств того, что пили Geobacter проводят электроны за счёт тесного взаимодействия ароматических аминокислот в структуре белковых филаментов. Как объясняет Малванкар: «Электроны текут, как в медном проводе, отсюда и термин "металлоподобная проводимость"». Однако в последние два года многие группы теоретиков публиковали работы, заключающие, что результаты Ловли и Малванкара невозможны.

Ловли говорит: «По моему мнению, экспериментальные данные важнее моделирования. Как сказал покойный физик Ричард Фейнман: "Неважно, насколько красива ваша теория, неважно, насколько вы умны. Если она не согласуется с экспериментом — она ошибочна"».

В поисках ещё большего количества экспериментальных данных Малванкар два года работал в Национальной лаборатории Брукхейвена, чтобы подробнее изучить структуру пилей Geobacter с помощью сложных методов, включая синхротронную рентгеновскую микродифракцию и rocking-curve рентгеновскую дифракцию. Он обнаружил периодическое расстояние в 3,2 ангстрема между ароматическими аминокислотами в пилях Geobacter — гораздо более тесное, чем предсказывали теоретические модели. Результаты опубликованы в текущем выпуске журнала mBio.

Ловли заявляет: «В экспериментах Нихила мы видим чёткий признак плотной упаковки ароматических аминокислот. Непроводящие пили лишены этого. Кроме того, когда Нихил подкислил пили, наблюдалось увеличение плотности упаковки ароматических колец пропорционально росту их проводимости. Эти результаты согласуются с нашей концепцией металлоподобной проводимости в пилях. Ни одна из моделей, отвергавших нашу гипотезу, не согласуется с этими результатами».

Чтобы лучше понять несоответствие между экспериментами и моделями, Малванкар объединился с Эриком Мартцем, заслуженным профессором Массачусетского университета в Амхерсте и экспертом по моделированию белков. Они обнаружили, что изменение одного простого предположения при построении модели пилей кардинально меняет результат. Малванкар объясняет: «Предыдущие модели исходили из шаблона структуры пилей Neisseria gonorrhoeae. Однако пили Geobacter на самом деле более близки к пилям Pseudomonas aeruginosa. Наша модель основана на Pseudomonas».

Модель Малванкара предсказывает плотную упаковку ароматических аминокислот, что согласуется с их экспериментальными результатами и гипотезой о наличии у пилей Geobacter металлоподобной проводимости.

Мартц предостерегает: «Мы не утверждаем, что наша модель на 100% верна. На самом деле, мы уверены, что это не так. Но другие модели просто не могут объяснить экспериментальные результаты. Наша — может. Кроме того, проводимость обеспечивается белком. Учёные всегда говорили, что белки не могут выполнять эту функцию. Мы обнаружили, что они не только делают это, но и делают это хорошо. Это настолько фундаментально интересное открытие, что учёным придётся обратить на него внимание».

Это открытие, поддержанное финансированием Управления военно-морских исследований США, как ожидается, поможет в создании других бактерий, производящих микробные нанопровода с помощью методов синтетической биологии. Например, лаборатория Ловли изобрела искусственную форму фотосинтеза, в которой микробы используют возобновляемое электричество для преобразования диоксида углерода в топливо и другие органические химикаты. Он говорит: «Чем лучше мы понимаем, как работают микробные нанопровода, тем выше наши шансы оптимизировать электронный обмен между электродом и микробом».

Малванкар добавляет: «Также есть возможность использовать фундаментальные принципы дизайна, которым учит нас природа, для производства новых электронных материалов устойчивым способом». В природе Geobacter используют свои микробные нанопровода для «дыхания»: они переносят электроны на оксиды железа, естественные ржавчиноподобные минералы в почве, которые выполняют для этих бактерий ту же функцию, что кислород для человека. «То, что Geobacter может делать со своими нанопроводами, похоже на дыхание через трубку длиной 10 километров», — говорит он.

Другие члены группы Ловли показали, что Geobacter использует микробные нанопровода для электрической коммуникации с другими видами микробов. Это кооперативное разделение электронов важно при преобразовании органических отходов в метан — эффективной биоэнергетической стратегии. Нанопровода также являются ключевыми компонентами текущих исследований лаборатории Ловли по созданию биокомпьютеров и новых биосенсоров. Команда Массачусетского университета в Амхерсте сейчас работает над «фабрикой пилей», чтобы производить очищенные пили Geobacter и бесплатно предоставлять их другим исследователям для повторения этих экспериментов или проведения других исследований.