Bacteria getting wired: The porin-cytochrome complex Om(abc)B kickstarts extracellular electron transfer and nanowire formation
Questo studio rivela che *Geobacter sulfurreducens* utilizza una strategia di trasferimento elettronico extracellulare sequenziale in due fasi in cui il complesso porina-citocromo Om(abc)B consente prima la sintesi energivora dei nanofili OmcS, permettendo alle cellule di passare da una modalità wireless a una modalità cablata che espande drasticamente il loro accesso al Fe(III) per la replicazione.
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La rete elettrica microbica: come i batteri si connettono
Immaginate un mondo in cui l'aria è densa di ossigeno, un gas che la maggior parte degli esseri viventi respira per trasformare il cibo in energia. Ora, immaginate un luogo in cui quell'ossigeno è scomparso e l'unico modo per sopravvivere è trovare un tipo diverso di combustibile. Questa è la realtà per un tipo specifico di batterio che vive nelle profondità del suolo o nel fango sottomarino. Questi minuscoli organismi affrontano un problema: il loro cibo è intrappolato in rocce o minerali solidi che non possono mangiare. Per sopravvivere, devono "collegarsi" a queste rocce ed estrarre energia da esse, un processo che gli scienziati chiamano Trasferimento di Elettroni Extracellulare (EET). Pensatelo come a una batteria che deve toccare un palo di metallo per funzionare; se il palo è troppo lontano, la batteria muore.
Per decenni, gli scienziati hanno creduto che questi batteri avessero una singola, complessa strategia per raggiungere e toccare queste rocce distanti. Pensavano che i batteri costruissero minuscoli "nanofili" simili a capelli (che sono in realtà catene di proteine) per agire come prolunghe, raggiungendo le rocce. Pensavano anche che i batteri usassero un particolare "spinotto" sulla loro pelle per consegnare l'elettricità a questi fili. Ma cosa succederebbe se i batteri avessero in realtà due modi diversi per ottenere energia, e passassero dall'uno all'altro a seconda di quanto sono affamati? Questa è la domanda che un team di ricercatori dell'Università di Yale si è posto, esplorando come questi ingegneri microscopici gestiscono la loro rete energetica.
La scoperta: due percorsi, un unico obiettivo
Nel loro nuovo studio, i ricercatori hanno scoperto che questi batteri, nello specifico una specie chiamata Geobacter sulfurreducens, non si affidano a un solo metodo. Invece, hanno una strategia intelligente in due fasi che assomiglia molto alla crescita di una startup che aumenta le proprie operazioni.
Lo spinotto "Kickstarter"
In primo luogo, esiste un complesso proteico sulla pelle esterna del batterio chiamato Om(abc)B. Per anni, gli scienziati hanno pensato che questo complesso fosse solo un intermediario, incaricato di passare gli elettroni ai lunghi nanofili. Ma la nuova ricerca mostra che Om(abc)B è in realtà un "kickstarter". È uno spinotto a corto raggio altamente efficiente che permette ai batteri di afferrare l'energia dalle rocce che li toccano direttamente. Il team ha scoperto che questo spinotto è incredibilmente veloce — circa 5 volte più veloce dei lunghi nanofili nel muovere gli elettroni. È come avere un cavo di alimentazione corto e super efficiente che svolge il lavoro rapidamente quando la fonte di energia è proprio accanto a te.
I nanofili "prolunga"
Tuttavia, i batteri non sempre riescono a trovare rocce proprio accanto a loro. A volte, la fonte di energia è lontana, fino a 50 volte la dimensione del batterio stesso. Per raggiungere questi obiettivi distanti, i batteri devono costruire dei nanofili. Queste sono strutture lunghe, simili a catene, fatte di diverse proteine (chiamate OmcS) che si protendono come prolunghe. Lo studio dimostra che questi nanofili sono essenziali per il viaggio a lunga distanza, permettendo ai batteri di accedere alla enorme quantità di energia necessaria per crescere e dividersi.
Lo switch: spegnere il vecchio per costruire il nuovo
Ecco la parte più sorprendente della storia. I ricercatori hanno scoperto che questi due sistemi non lavorano insieme in linea, ma funzionano come percorsi indipendenti e separati. Quando i batteri decidono di costruire i lunghi nanofili per raggiungere le rocce distanti, non si limitano ad aggiungerli allo spinotto esistente. Inve al contrario, interrompono completamente la produzione dello spinotto Om(abc)B.
È come se una fabbrica decidesse di costruire un enorme nuovo sistema autostradale e, per risparmiare denaro e risorse, smettesse interamente di produrre i piccoli camion per le consegne locali. I batteri smettono di produrre la proteina Om(abc)B anche se le istruzioni (i geni) per crearla sono ancora presenti. Ciò suggerisce uno switch "post-trascrizionale", dove la cellula impedisce la costruzione della proteina dopo che le istruzioni sono state lette, piuttosto che spegnere le istruzioni stesse.
Perché questo è importante
Lo studio suggerisce che i batteri utilizzino lo spinotto Om(abc)B, veloce ed efficiente, per ottenere solo l'energia necessaria per iniziare a costruire i costosi e lunghi nanofili. Una volta costruiti i nanofili, i batteri passano al sistema a lungo raggio per ottenere la massiccia quantità di energia necessaria per riprodursi. Se i nanofili sono già presenti (forse grazie a una generazione precedente), i batteri non hanno bisogno dello spinotto e possono crescere rapidamente senza di esso.
I ricercatori hanno confermato questo fatto coltivando i batteri in laboratorio. Quando hanno fornito ai batteri dei nanofili pre-costruiti, i batteri sono cresciuti rapidamente e hanno smesso di produrre lo spinotto Om(abc)B. Ma quando hanno rimosso i nanofili, i batteri non riuscivano a crescere sulle rocce distanti, anche se possedevano lo spinotto. Questo prova che lo spinotto è ottimo per iniziare il processo o per afferrare l'energia vicina, ma i nanofili sono l'unico modo per raggiungere il "grande premio" lontano.
Il quadro generale
Questo non riguarda solo un tipo di batterio. Il team ha esaminato il codice genetico di molti batteri diversi e ha scoperto che questa strategia "spinotto-e-filo" è diffusa in tutto il mondo microbico. Sembra che molti batteri utilizzino un approccio simile in due fasi: un plug locale veloce ed efficiente per iniziare, seguito dal passaggio ai fili a lungo raggio per scalare le operazioni. Questa scoperta cambia il modo in cui comprendiamo come questi minuscoli organismi alimentano il nostro pianeta e il suo suolo, e potrebbe aiutare gli scienziati a progettare migliori bio-batterie o a bonificare l'inquinamento in modo più efficace in futuro.
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