Vận chuyển electron khoảng cách xa đến Fe(III) oxide qua pili có độ dẫn điện giống kim loại

Biochemical Society Transactions - Tập 40 Số 6 - Trang 1186-1190 - 2012
Derek R. Lovley1
1Department of Microbiology, University of Massachusetts, Amherst, MA 01003, U.S.A.

Tóm tắt

Các cơ chế khử Fe(III) oxide bởi các loài Geobacter đang thu hút sự chú ý vì các loài này đã được chứng minh là đóng vai trò quan trọng trong việc khử Fe(III) oxide trong nhiều môi trường khác nhau, nơi mà quá trình khử Fe(III) có ý nghĩa địa hóa học. Các loài Geobacter biểu hiện pili trong quá trình sinh trưởng trên Fe(III) oxide so với sự phát triển trên Fe(III) chelat hòa tan, và các đột biến không thể sản xuất pili thì không có khả năng khử Fe(III) oxide một cách hiệu quả. Pili của Geobacter sulfurreducens có khả năng dẫn điện dọc theo chiều dài của chúng trong điều kiện sinh lý và thể hiện tính dẫn điện giống kim loại tương tự như đã quan sát trước đây trong các kim loại hữu cơ tổng hợp. Tính dẫn điện giống kim loại trong một filamen protein sinh học là một cơ chế vận chuyển electron chưa được nhận biết trước đây, khác biệt đáng kể so với chiến lược sinh học phổ biến hơn về việc nhảy/vượt electron giữa các protein hoạt động redox gần nhau. Cytochrome OmcS đa haeme loại c đặc biệt liên quan đến pili và là cần thiết cho việc khử Fe(III) oxide. Tuy nhiên, nhiều bằng chứng, bao gồm tính dẫn điện giống kim loại của các pili và việc các phân tử OmcS nằm cách quá xa cho việc nhảy/vượt electron, chỉ ra rằng OmcS không chịu trách nhiệm cho việc dẫn điện khoảng cách dài dọc theo pili. Vai trò của OmcS có thể là tạo điều kiện chuyển giao electron từ pili đến Fe(III) oxide. Vận chuyển electron khoảng cách dài qua pili với tính dẫn điện giống kim loại là một sự thay đổi mô hình quan trọng có ý nghĩa không chỉ cho việc khử Fe(III) oxide, mà còn cho sự trao đổi electron giữa các loài trong các cộng đồng vi sinh vật tinh sinh, cũng như tương tác giữa vi sinh vật và điện cực và lĩnh vực sinh học điện mới nổi.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Lovley, 1987, Organic matter mineralization with the reduction of ferric iron: a review, Geomicrobiol. J., 5, 375, 10.1080/01490458709385975

Lovley, 1991, Dissimilatory Fe(III) and Mn(IV) reduction, Microbiol. Rev., 55, 259, 10.1128/mr.55.2.259-287.1991

Lovley, 2004, Dissimilatory Fe(III) and Mn(IV) reduction, Adv. Microb. Phys., 49, 219, 10.1016/S0065-2911(04)49005-5

Lovley, 2011, Geobacter: the microbe electric's physiology, ecology, and practical applications, Adv. Microb. Physiol., 59, 1, 10.1016/B978-0-12-387661-4.00004-5

Lovley, 2006, Bug juice: harvesting electricity with microorganisms, Nat. Rev. Microbiol., 4, 497, 10.1038/nrmicro1442

Lin, 2009, How Geobacteraceae may dominate subsurface biodegradation: physiology of Geobacter metallireducens in slow-growth habitat-simulating retentostats, Environ. Microbiol., 11, 2425, 10.1111/j.1462-2920.2009.01971.x

Zhuang, 2011, Genome-scale dynamic modeling of the competition between Rhodoferax and Geobacter in anoxic subsurface environments, ISME J., 5, 305, 10.1038/ismej.2010.117

Mahadevan, 2011, In situ to in silico and back: elucidating Geobacter physiology and ecology with genome-scale modeling, Nat. Rev. Microbiol., 9, 39, 10.1038/nrmicro2456

Lovley, 2012, Electromicrobiology, Annu. Rev. Microbiol., 66, 391, 10.1146/annurev-micro-092611-150104

Morita, 2011, Potential evidence for direct interspecies electron transfer in anaerobic methanogenic wastewater aggregates, mBio, 2, e00159, 10.1128/mBio.00159-11

Summers, 2010, Direct exchange of electrons within aggregates of an evolved syntrophic co-culture of anaerobic bacteria, Science, 330, 1413, 10.1126/science.1196526

Malvankar, 2011, Tunable metallic-like conductivity in nanostructured biofilms comprised of microbial nanowires, Nat. Nanotechnol., 6, 573, 10.1038/nnano.2011.119

Gorby, 1991, Electron transport in the dissimilatory iron-reducer, GS-15, Appl. Environ. Microbiol., 57, 867, 10.1128/aem.57.3.867-870.1991

Gaspard, 1998, Localization and solubilization of the iron(III) reductase of Geobacter sulfurreducens, Appl. Environ. Microbiol., 64, 3188, 10.1128/AEM.64.9.3188-3194.1998

Magnuson, 2000, Characterization of a membrane bound NADH-dependent Fe3+ reductase from the dissimilatory Fe3+ reducing bacterium Geobacter sulfurreducens, FEMS Microbiol. Lett., 185, 205, 10.1111/j.1574-6968.2000.tb09063.x

Magnuson, 2001, Isolation, characterization and gene sequence analysis of a membrane-associated 89 kDa Fe(III) reducing cytochrome c from Geobacter sulfurreducens, Biochem. J., 359, 147, 10.1042/bj3590147

Lloyd, 1999, The periplasmic 9.6-kilodalton c-type cytochrome of Geobacter sulfurreducens is not an electron shuttle to Fe(III), J. Bacteriol., 181, 7647, 10.1128/JB.181.24.7647-7649.1999

Childers, 2002, Geobacter metallireducens accesses insoluble Fe(III) oxide by chemotaxis, Nature, 416, 767, 10.1038/416767a

Coppi, 2001, Development of a genetic system for Geobacter sulfurreducens, Appl. Environ. Microbiol., 67, 3180, 10.1128/AEM.67.7.3180-3187.2001

Lovley, 2003, Cleaning up with genomics: applying molecular biology to bioremediation, Nat. Rev. Microbiol., 1, 35, 10.1038/nrmicro731

Tremblay, 2011, A genetic system for Geobacter metallireducens: role of flagella and pili in extracellular electron transfer, Environ. Microbiol. Rep., 4, 82, 10.1111/j.1758-2229.2011.00305.x

Ueki, 2012, Identification of multi-component His-Asp phosphorelay system controlling flagella and motility gene expression in Geobacter species, J. Biol. Chem., 287, 10958, 10.1074/jbc.M112.345041

Anderson, 2003, Stimulated in situ activity of Geobacter species to remove uranium from the groundwater of a uranium-contaminated aquifer, Appl. Environ. Microbiol., 69, 5884, 10.1128/AEM.69.10.5884-5891.2003

Mehta, 2002, Geobacter sulfurreducens requires pili in order to reduce Fe(III) oxide, 102nd Annual Meeting of the American Society of Microbiology

Reguera, 2005, Extracellular electron transfer via microbial nanowires, Nature, 435, 1098, 10.1038/nature03661

Lovley, 2008, Extracellular electron transfer: wires, capacitors, iron lungs, and more, Geobiology, 6, 225, 10.1111/j.1472-4669.2008.00148.x

Tremblay, 2011, A c-type cytochrome and a transcriptional regulator responsible for enhanced extracellular electron transfer in Geobacter sulfurreducens uncovered by adapative evolution, Environ. Microbiol., 13, 13, 10.1111/j.1462-2920.2010.02302.x

Yi, 2009, Selection of a variant of Geobacter sulfurreducens with enhanced capacity for current production in microbial fuel cells, Biosens. Bioelectron., 24, 3498, 10.1016/j.bios.2009.05.004

Nevin, 2009, Anode biofilm transcriptomics reveals outer surface components essential for high currency power production in Geobacter sulfurreducens fuel cells, PLoS ONE, 4, e5628, 10.1371/journal.pone.0005628

Reguera, 2006, Biofilm and nanowire production leads to increased current in Geobacter sulfurreducens fuel cells, Appl. Environ. Microbiol., 72, 7345, 10.1128/AEM.01444-06

Franks, 2009, Novel strategy for three-dimensional real-time imaging of microbial fuel cell communities: monitoring the inhibitory effects of proton accumulation within the anode biofilm, Energy Environ. Sci., 2, 113, 10.1039/B816445B

Franks, 2010, Microtoming coupled with microarray analysis to evaluate potential differences in the metabolic status of Geobacter sulfurreducens at different depths in anode biofilms, ISME J., 4, 509, 10.1038/ismej.2009.137

Franks, 2012, Real-time spatial gene expression analysis within current-producing biofilms, ChemSusChem, 5, 1092, 10.1002/cssc.201100714

Malvankar, 2012, Microbial nanowires: a new paradigm for biological electron transfer and bioelectronics, ChemSusChem, 5, 1039, 10.1002/cssc.201100733

Malvankar, 2012, Lack of cytochrome involvement in long-range electron transport through conductive biofilms and nanowires of Geobacter sulfurreducens, Energy Environ. Sci., 5, 8651, 10.1039/c2ee22330a

Mehta, 2005, Outer membrane c-type cytochromes required for Fe(III) and Mn(IV) oxide reduction in Geobacter sulfurreducens, Appl. Environ. Microbiol., 71, 8634, 10.1128/AEM.71.12.8634-8641.2005

Ding, 2008, Proteome of Geobacter sulfurreducens grown with Fe(III) oxide or Fe(III) citrate as the electron acceptor, Biochim. Biophys. Acta, 1784, 1935, 10.1016/j.bbapap.2008.06.011

Leang, 2010, Alignment of the c-type cytochrome OmcS along pili of Geobacter sulfurreducens, Appl. Environ. Microbiol., 76, 4080, 10.1128/AEM.00023-10

Qian, 2011, Biochemical characterization of purified OmcS, a c-type cytochrome required for insoluble Fe(III) reduction in Geobacter sulfurreducens, Biochim. Biophys. Acta, 1807, 404, 10.1016/j.bbabio.2011.01.003

Lovley, 2011, Live wires: direct extracellular electron exchange for bioenergy and the bioremediation of energy-related contamination, Energy Environ. Sci., 4, 4896, 10.1039/c1ee02229f

Leang, 2003, OmcB, a c-type polyheme cytochrome, involved in Fe(III) reduction in Geobacter sulfurreducens, J. Bacteriol., 185, 2096, 10.1128/JB.185.7.2096-2103.2003

Qian, 2007, Evidence that OmcB and OmpB of Geobacter sufurreducens are outer membrane surface proteins, FEMS Microbiol. Lett., 277, 21, 10.1111/j.1574-6968.2007.00915.x

Leang, 2005, Adaption to disruption of electron tranfer pathway for Fe(III) reduction in Geobacter sulfurreducens, J. Bacteriol., 187, 5918, 10.1128/JB.187.17.5918-5926.2005

Rollefson, 2011, Identification of an extracellular polysaccharide network essential for cytochrome anchoring and biofilm formation in Geobacter sulfurreducens, J. Bacteriol., 193, 1023, 10.1128/JB.01092-10

Inoue, 2010, Purification and characterization of OmcZ, an outer-surface, octaheme, c-type cytochrome essential for optimal current production by Geobacter sulfurreducens, Appl. Environ. Microbiol., 76, 3999, 10.1128/AEM.00027-10

Inoue, 2010, Specific localization of the c-type cytochrome OmcZ at the anode surface in current-producing biofilms of Geobacter sulfurreducens, Environ. Microbiol. Rep., 3, 211, 10.1111/j.1758-2229.2010.00210.x

Esteve-Nunez, 2008, Fluorescent properties of c-type cytochromes reveal their potential role as an extracytoplasmic electron sink in Geobacter sulfurreducens, Environ. Microbiol., 10, 497, 10.1111/j.1462-2920.2007.01470.x

Malvankar, 2011, Supercapcitors based on c-type cytochromes using conductive nanostructured networks of living bacteria, ChemPhysChem, 13, 463, 10.1002/cphc.201100865