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» » » » Demostrado que la carga eléctrica se propaga a lo largo de nanocables microbianos

Referencia: EurekAlert.org .
contacto: Janet Lathrop, 19 octubre 2014

La afirmación del microbiólogo Derek Lovley y sus colegas, en la Universidad de Massachusetts Amherst, acerca de que el microbio Geobacter produce diminutos cables eléctricos, llamados nanocables microbianos, se ha visto envuelto en la controversia durante una década; pero un nuevo estudio colaborativo ofrece evidencias más fuertes que nunca que apoyan sus afirmaciones. 

Geobacter Pili. Demostrando que la carga eléctrica se propaga a lo largo de nanocables microbianos. Crédito: Universidad de Massachusetts Amherst .

Los físicos UMass Amherst que trabajan con Lovley y sus colegas informan en la edición actual de la revista Nature Nanotechnology que han utilizado una nueva técnica de imagen, la microscopía de fuerza electrostática (EFM), para resolver el debate biológico con la evidencia de la física, que en efecto,  demuestra que las cargas eléctricas se propagan a lo largo de nanocables microbianos tal como lo hacen por los nanotubos de carbono, un material hecho por el hombre de alta conductividad.

Los físicos Nikhil Malvankar y Sibel Ebru Yalcin, junto con el profesor de física Marcos Tuominen, confirmó el descubrimiento utilizando la EFM, una técnica que puede mostrar cómo los electrones se mueven a través de materiales. "Cuando inyectamos electrones en un punto de los nanocables microbianos, todo el filamento se iluminó conforme los electrones se propagaban a través de los nanocables", relataba Malvankar.

Yalcin, ahora en el Pacific Northwest National Lab, añade, "Esta es la misma respuesta que uno vería en un nanotubo de carbono u otros nanofilamentos sintéticos de alta conductividad. Incluso las densidades de carga son comparables. Esta es la primera vez que la EFM lo ha aplicado a las proteínas biológicas. Esto ofrece muchas oportunidades nuevas para la biología."

Lovley dice que la capacidad de la corriente eléctrica para fluir a través de nanocables microbianos tiene importantes implicaciones prácticas y medioambientales. "Las especies microbianas se comunican eléctricamente a través de estos cables, compartiendo la energía de importantes procesos, como la conversión de los desechos en gas metano. Los nanocables permiten que la Geobacter pueda vivir sobre el hierro y otros metales del suelo, cambiando significativamente la química del suelo y jugando un papel importante en la limpieza del medio ambiente. Los nanocables microbianos son también componentes clave en la capacidad de la Geobacter para producir electricidad, una novedosa capacidad que está siendo adaptada a fin de poder diseñar sensores microbianos y dispositivos informáticos biológicos."

Él mismo reconoce su escepticismo ante los nanocables de la Geobacter, las cuales son filamentos de proteínas que pueden conducir electrones como si de un alambre se tratara, un fenómeno conocido y parecido a la conductividad metálica. "El escepticismo es bueno en la ciencia, y te hace trabajar más duro para evaluar si lo que uno propone es la correcto", reseña Lovley. "Siempre es más fácil entender algo si lo puedes ver. A los doctores Malvankar y Yalcin se les ocurrió una manera de visualizar la susodicha propagación de la carga a lo largo de los nanocables, que es tan elegante que hasta un biólogo como yo puede comprender fácilmente el mecanismo."

Los biólogos ya saben desde hace años que en los materiales biológicos, los electrones se mueven normalmente a saltos entre peldaños bioquímicos separados que pueden contener electrones individuales. Pero los electrones de los nanocables microbianos están deslocalizados, no asociados con una sola molécula. Esto se conoce como una conductividad similar a la metálica, porque los electrones se conducen de manera similar a un cable de cobre.

Malvankar proporcionó la primera evidencia de este tipo de conductividad por parte de los nanocables microbianos, en los laboratorios Lovley y de Tuominen en 2011, quien decía, "la conductividad similar a la metálica de los nanocables microbianos, parecía claro que cambiaba según temperaturas diferentes o según el pH, pero aún había muchos escépticos, sobre todo entre los biólogos."

Para añadir más apoyo a su hipótesis, el laboratorio de Lovley alteró genéticamente la estructura de los nanocables, eliminando los aminoácidos aromáticos que proveen la necesaria deslocalización de los electrones para la conductividad similar a la metálica, ganando con ello a más escépticos. Pero la EFM proporciona la evidencia clave final, subraya Malvankar.

"Nuestra imagen muestra que las cargas fluyen a lo largo de los nanocables microbianos, aun siendo proteínas, e incluso en su estado nativo adjuntos a las células. Ver para creer. Poder visualizar la propagación de la carga en los nanocables a nivel molecular es bastante satisfactorio. Espero que esta técnica tenga un especial impacto futuro en las muchas áreas donde se cruzan la física y la biología", añadió.

"Este descubrimiento”, agrega Tuominen, “no sólo plantea un importante y nuevo principio en la biología, sino también en la ciencia de materiales. Los aminoácidos naturales, cuando se disponen correctamente, pueden propagar cargas similares a los conductores moleculares, como los nanotubos de carbono. Se abren interesantes oportunidades para la nanoelectrónica basada en proteínas que antes no era posible."

Los nanocables microbianos de Lovley y sus colegas son un potencial componente de la electrónica "verde", hecha con materiales reciclables, no tóxicos. También representan una nueva área en el creciente campo de la biología sintética, "ahora que entendemos mejor cómo funcionan los nanocables, y se ha demostrado que pueden ser manipulados genéticamente, parece posible diseñar 'microbios' eléctricos para una diversidad de aplicaciones."

Una aplicación que está siendo desarrollada en la actualidad es crear Geobacter en los sensores electrónicos a fin de detectar contaminantes ambientales. Otra es la creación de computadoras microbiológicas basadas en la Geobacter. Este trabajo ha sido financiado por la Office of Naval Research, the U.S. Department of Energy and the National Science Foundation.


- Fuente: Universidad de Massachusetts en Amherst .
- Imagen: Geobacter Pili. Demostrando que la carga eléctrica se propaga a lo largo de nanocables microbianos. Crédito: Universidad de Massachusetts Amherst .
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