Amikor Shewanella találkozik Goethite-vel: Bizonyítékot találtak az élő és élettelen tárgyak közötti felismerésre

Amikor Shewanella találkozik Goethite-vel: Bizonyítékot találtak az élő és élettelen tárgyak közötti felismerésre
Amikor Shewanella találkozik Goethite-vel: Bizonyítékot találtak az élő és élettelen tárgyak közötti felismerésre
Anonim

(Blacksburg, Va., 2001. május 18.) – Évtizedek óta érdekli az embereket, hogy a mikrobák hogyan tapadnak meg és szabadulnak fel az ásványi felületekről. A kölcsönhatás alapvető fontosságú például a mikroorganizmusok vízkezelő létesítményeken keresztül történő szállításában, a mezőgazdasági vegyszerek hatékony felhasználásában vagy a mérgező fémek talajvízben való mozgásában. De a mikrobák és ásványok felszínén lévő molekulák közötti erőket soha nem mérték.

Most egy Virginia Tech végzős diákja feltalálta a biológiai erőmikroszkópnak nevezett technikát, és fő professzorával együtt meghatározta, mi történik, amikor a Shewanella, a legtöbb talajban megtalálható mikroorganizmus találkozik a goetittel, a legfontosabb vassal. oxid a talajban világszerte.A kutatás az első bizonyítékok közé tartozik az élő szervezet és egy élettelen tárgy, például egy ásvány között.

A kutatást a Science 2001. május 18-án ismerteti Steven Lower, Michael F. Hochella Jr. "Az ásványi felületek bakteriális felismerése: nanoméretű kölcsönhatások a Shewanella és az a-FeOOH között" című cikkében. és Terry J. Beveridge. Lower, aki hamarosan adjunktusként kezdett dolgozni a Marylandi Egyetemen, College Parkban, feltalálta a technikát, miközben Ph.D. a Virginia Tech geológus hallgatója. Hochella a Tech geokémia és ásványtan professzora, Beveridge pedig a Guelph Egyetem mikrobiológiai tanszékén.

A légzés az a folyamat, amelynek során az élőlények, beleértve az embereket is, lebontják a szénhidrátokat, hogy energiát termeljenek. A Shewanella oxigént használ a szénhidrátok lebontására (légzés); de ha nincs oxigén, a baktériumok vas3-at (Fe III) használnak a légzéshez. Ez a képesség jelentős hatással van az ásványi anyagok oldódására és a vas mozgására a környezetben.

A kutatók megvizsgálták a Shewanellát és a goethitet, a vas-oxidot, amelyről ismert, hogy sárgássá teszi a talajt. "A baktériumok az ásványt terminális elektronakceptorként használják" - mondja Hochella. "Azaz a baktériumok elektronokat adnak át (szénhidrát) az ásványnak. Az egyes elektronok hozzáadása megszakítja az ásvány felszínén lévő atomok közötti kötést, és lehetővé teszi, hogy a goethit vasat szabadítson fel. Felületi molekulái vas3-ból (Fe III) vas2-vé alakulnak (Fe II). Ennek eredményeként vas kerülhet a talajvízbe. Vagy ha mérgező fém, például ólom vagy arzén kötődik a goethit felületéhez, ezek a fémek is kiürülnek."

A Shewanella baktériumok felszínén lévő összetett biomolekulák elősegítik az elektronátvitelt. A kutatók megállapították, hogy a Shewanella sokkal nagyobb affinitást mutat a Fe III tartalmú ásványi anyagokhoz, ha oxigén nincs jelen. "Adataink részletesebb elemzése alapján azt látjuk, hogy a Shewanella egy speciális fehérjét hoz létre, amely specifikusan kölcsönhatásba lép a Fe III ásványi anyag felszínével" - mondja Lower.„Olyan, mintha Shewanella felismerné az ásványt az életre jótékony hatásúként” – mondja. "Úgy tűnik, ez a fehérje azzal a kifejezett céllal készült, hogy elektronokat vigyen át Shewanellából a goethitbe." A Virginia Tech kutatói körülbelül öt éve vizsgálják a baktériumsejtek és az ásványi felületek közötti nanoméretű kölcsönhatásokat, amióta „ASPIRE” támogatást kaptak az egyetem kutatási részlegétől az új, interdiszciplináris terület elindítására. A mikrobák és ásványok egymásra gyakorolt ​​hatása alapvető fontosságú számos tudományban, beleértve a geokémiát, az agronómiát és a környezettudományokat is, magyarázza Hochella. Mindezen területek kutatói az ásványok-mikrobák csoportjába tartoznak.

"Az atomszintű munka nem új keletű" - mondja Hochella. – De nanométeres szinten dolgozni igen. Egy nanométer 10 angströmnek vagy körülbelül 10 atomnak felel meg. "Molekula méretű anyagdarabokkal dolgozunk, amelyek szokatlan tulajdonságokkal rendelkeznek.Még csak most kezdjük megérteni, hogy mik ezek a tulajdonságok, és hogyan használhatjuk őket” – mondja.

A nanoméretű kölcsönhatások tanulmányozása érdekében Lower egy atomerőmikroszkópot módosított, hogy élő baktériumsejtet erősítsen a karjához, és a sejtet egy ásványi felület felé mozgassa, hogy megfigyelje és mérje a kölcsönhatást. "Egy cella körülbelül egy mikron, vagyis a méter egymilliomod része (10-6)" - mondja Hochella. "Ezzel az új mikroszkóppal úgy néz ki, mint egy hatalmas rúd aljára erősített lökhárító."

Mielőtt a sejt hozzáér az ásványhoz, kölcsönhatás lép fel – vonzás vagy taszítás. Ez egy gyenge erő a mérés szempontjából, de ez határozza meg, hogy a mikroba kötődik-e az ásványhoz vagy sem – magyarázza Hochella. Lower mikroszkópja „nanonewtonokban” méri a vonzást – ez az erő egy milliomod és egymilliárd része között van a lemezjátszó ceruzája és egy bakelitlemez közötti erőnek lejátszás közben.

"A vonzási erők mérésével úgy gondoljuk, meg tudjuk mondani, mely biomolekulák segítik elő a folyamatot.Ezen összetett biomolekulák közül néhányat még nem is azonosítottak" - mondja Hochella. Miért fontos tudni a mikrobák és ásványok közötti vonzásról vagy taszításról?

"Ennek a fehérjének az azonosítása az első lépés annak megértésében, hogy a baktérium hogyan mozgatja az elektronokat magából az ásványokba" - mondja Lower. "Ha megértjük ezt a folyamatot, képesek leszünk irányítani a kapcsolódó folyamatokat, például fémek vagy más szennyeződések felszabadulását az ásványi felületről, amelyek gyakran együtt járnak az elektrontranszfer reakciókkal. Ezenkívül a Shewanella összekapcsolhatja a a szerves szennyeződések metabolizmusa (azaz lebomlása) – amelyek közül sok oxigénszegény környezetben található – az elektronátviteli folyamatukba. Ha a Shewanella ásványokat, például a goethit, oxigénszegény környezetben is életre és lélegzésre adjuk, képes megszüntetni a káros szennyező anyagokat” – mondja Lower.

Hochella hozzáteszi: "Ha kórokozó baktériumok vannak a talajban, tudni szeretné, hogy bejut-e a talajvízbe és az ivóvízbe.Vagy ásványi felületre fog tapadni és kikerül a vízből? Reméljük tehát, hogy meg tudjuk jósolni a mikrobák mozgását” – mondja Hochella.

Sok tudóst az alapkutatás szempontjából is érdekel, hogy megválaszolja a dolgok működésével kapcsolatos alapvető kérdéseket.

"A Science-ben megjelent cikkhez azonban a mikroba-ásványi kölcsönhatás kérdésével akartuk demonstrálni az új mikroszkóp képességét" - mondja Hochella.

Egyetlen biomolekulák ismeretlen tulajdonságainak vizsgálata a Virginia Tech csoport folyamatos kutatásának tárgya, amelyhez nemrég 1,1 millió dolláros támogatást kaptak a National Science Foundations legújabb kezdeményezésétől, a nanoméretű tudománytól és mérnöki munkától.

Mivel a nanoméretű kölcsönhatásokat biomolekulák és az ásványi felület szervetlen komplementerei közvetítik, egy másik Virginia Tech végzős hallgató, Treavor Kendall kitalálta, hogyan rögzíthet egyetlen biomolekulát a karhoz az atomerőmikroszkóp alatt."Még a mikroszkóp alatt sem látod. Nagyon trükkös munka" - mondja Hochella.

De a kölcsönhatás határozottan mérhető. "Amikor a mikroszkóp segítségével húzza el a biomolekulát az ásványtól, az olyan, mintha rágógumira lépne, majd a lábát lehúzná a járdáról. Addig nyújtja a biomolekulát, amíg le nem pattan. A nyújtási jellemzők mérésével azt hisszük, meg tudjuk állapítani melyik biomolekula található ott. Szó szerint a nano-mechanikai jellemzőiket nézzük."

Az NSF ösztöndíjának társkutatói a Marylandi Egyetem és a Virginia Tech kutatói, Susan Eriksson, a geológiai tudományok docense; Maddy Schreiber, a hidrológia adjunktusa és Chris Tadanier, a mikroba-ásványi csoport kutatója. A csoport a mikroba-ásványi kölcsönhatások mellett a fehérje feltekeredését és a biofilmeket is tanulmányozza. "Továbbra is folytatjuk a tanulmányozást és megkíséreljük utánozni a baktériumok és ásványi felületeken lévő biomolekulák közötti természetes specifitást" - mondja Lower."Megpróbáljuk megvizsgálni azokat az elemi erőket is, amelyek egy fehérje fel- és kibontakozását okozzák, mert a fehérje feltekeredése határozza meg végső soron a funkcióját és aktivitását. Biológiai erőmikroszkópiát alkalmazunk az orvostudományhoz kapcsolódó kérdésekben. Például. A biofilm képződés olyan problémákat érint, mint a fogak szuvasodása és a mesterséges implantátumok működése emberben. A biofilmek a két baktériumsejt közötti vonzó (vagy taszító) erők hatására alakulnak ki (vagy nem képződnek). Biológiai erőmikroszkóppal vizsgáljuk ezeket. alapvető erők az élő mikroorganizmusok között."

Az NSF támogatás öt éven belül a második díj, amely a Virginia Tech kutatási részlegének 25 000 dolláros befektetéséből származik (az ASPIRES program új kutatási területek elindítására). Az első külső díj 386 000 dollár volt az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumától az új, interdiszciplináris csoport ásvány-mikroba kölcsönhatásokkal kapcsolatos kutatásaiért. Az ASPIRES-támogatáshoz a Művészeti és Tudományos Főiskola és más források is hozzájárultak, így Tadanier posztdoktori állást kapott.Tadanier környezettudományi és mérnöki háttérrel rendelkezik. Lower végzős hallgatóként csatlakozott a programhoz, mert érdeklődött az interdiszciplináris lehetőségek iránt.

A mikroba-ásványi csoport legfiatalabb végzős hallgatója, Andrew Madden szintén NSF Graduate Student Fellowship-ben részesült, egyike annak a mindössze 30 ilyen ösztöndíjnak, amelyet idén földkutatóknak ítéltek oda az országban. Tracy Cail, az ásvány-mikroba csapat újabb tagja, rangos diplomás ösztöndíjat kapott az Oktatási Minisztériumtól.

Népszerű téma

Érdekes cikkek
Rólunk
Olvass tovább

Rólunk

A fishcustomaquariums.com webhelyről

Kapcsolatok
Olvass tovább

Kapcsolatok

A fishcustomaquariums.com oldal elérhetőségei

A fishcustomaquariums.com adatvédelmi irányelvei
Olvass tovább

A fishcustomaquariums.com adatvédelmi irányelvei

A fishcustomaquariums.com adatvédelmi irányelvei