(Imagem: © Yangqi Gu e Vishok Srikanth)
As bactérias do solo respiram através de ‘snorkels gigantes’ feitos de uma proteína condutora especial, descobriram os pesquisadores.
Para bactérias sem boca e sem pulmões, a respiração é um pouco mais complicada do que para humanos. Inalamos oxigênio e exalamos dióxido de carbono; Geobacter – um gênero de bactérias ubíquo que vive nas águas subterrâneas – engole o lixo orgânico e “exala” elétrons, gerando uma minúscula corrente elétrica no processo.
Esses elétrons residuais sempre precisam ir para algum lugar (geralmente em um mineral subterrâneo abundante como o óxido de ferro), e a Geobacter tem uma ferramenta não convencional para garantir que eles cheguem lá.
“Geobacter respira através do que é essencialmente um snorkel gigante, centenas de vezes seu tamanho”, disse Nikhil Malvankar, professor assistente do Instituto de Ciências Microbianas da Universidade de Yale em Connecticut.
Esse “snorkel” é chamado de nanofio. Embora esses minúsculos filamentos condutores sejam 100.000 vezes menores do que a largura de um fio de cabelo humano, eles são capazes de transportar elétrons com centenas a milhares de vezes o comprimento do corpo de um micróbio Geobacter individual. Graças a esta adaptação, Geobacter são alguns dos respiradores mais impressionantes da Terra. (“Você não pode expirar 300 metros à sua frente, pode?” disse Malvankar).
A qualquer momento, bilhões de bactérias estão zumbindo com eletricidade sob o fundo do mar. Agora, em um novo estudo publicado em 17 de agosto na revista Nature Chemical Biology, Malvankar e seus colegas descobriram como combinar essa energia em uma potente rede de energia microbiana.
Usando técnicas avançadas de microscopia, os pesquisadores descobriram a “molécula secreta” que permite ao Geobacter respirar por distâncias tremendamente longas antes não vistas nas bactérias. A equipe também descobriu que, ao estimular colônias de Geobacter com um campo elétrico, os micróbios conduziam eletricidade 1.000 vezes mais eficientemente do que em seu ambiente natural.
Entender essas adaptações elétricas inatas pode ser um passo crucial na transformação das colônias de Geobacter em baterias vivas e respiráveis, disseram os pesquisadores.
“Acreditamos que essa [descoberta] poderia ser usada para fazer eletrônicos com as bactérias sob seus pés”, disse Malvankar.
Um micróbio muito chocante
Em casa, bem no subsolo, em solo encharcado e carente de oxigênio, Geobacter pode sobreviver em ambientes hostis que poucos outros micróbios podem, disseram os autores do estudo. Os nanofios, que permitem que respirem na ausência de oxigênio, são cruciais para manter os micróbios Geobacter vivos no solo, onde receptores de elétrons como o óxido de ferro raramente estão a mais de alguns milionésimos de metro de distância. No entanto, as colônias de Geobacter cultivadas em laboratório nem sempre têm o luxo de viver perto de minerais abundantes.
Em pesquisas anteriores, Malvankar e seus colegas descobriram que os micróbios Geobacter sulfurreducens cultivados em laboratório exibem outro truque de sobrevivência inteligente quando expostos a um pequeno eletrodo, ou um disco que conduz eletricidade. Estimulados pelo campo elétrico, os micróbios se agrupam em biofilmes densos – pilhas interligadas de centenas de micróbios individuais, movendo elétrons por meio de uma única rede compartilhada.
“Eles se acumulam como apartamentos de muitos andares, com centenas de andares”, disse Malvankar. “E todos eles podem compartilhar a mesma rede elétrica, despejando elétrons constantemente.”
A grande questão que irritou Malvankar e seus colegas é como os micróbios no “100º andar do arranha-céu”, como ele disse, são capazes de lançar elétrons até o fundo da pilha e, em seguida, por um nanofio – exalando elétrons a uma distância milhares de vezes maior que o comprimento do corpo do micróbio original. Essas distâncias são “nunca vistas antes” na respiração microbiana, disse Malvankar, e enfatizam o quão únicos os Geobacter são quando se trata de sobreviver a ambientes hostis.
Para descobrir os segredos do nanofio, os autores do novo estudo analisaram culturas de Geobacter cultivadas em laboratório usando duas técnicas de microscopia de ponta. O primeiro, chamado de microscopia de força atômica de alta resolução, reunia informações detalhadas sobre a estrutura dos nanofios tocando sua superfície com uma sonda mecânica extremamente sensível.
“É como ler Braille, mas as saliências são de um bilionésimo de metro”, disse a autora do estudo, Sibel Ebru Yalcin, cientista do Instituto de Ciências Microbianas de Yale, ao Live Science.
Por meio da segunda técnica, chamada de nanospectroscopia infravermelha, os pesquisadores identificaram moléculas específicas nos nanofios com base na forma como eles espalharam a luz infravermelha de entrada. Com esses dois métodos, os pesquisadores viram a “impressão digital única” de cada aminoácido nas proteínas que compõem os nanofios de assinatura da Geobacter, disse Yalcin.
A equipe descobriu que, quando estimulado por um campo elétrico, Geobacter produz um tipo até então desconhecido de nanofio feito de uma proteína chamada OmcZ. Feita de minúsculos blocos de construção metálicos chamados hemes, esta proteína criou nanofios que conduzem eletricidade 1.000 vezes mais eficientemente do que os nanofios típicos que Geobacter criam no solo, permitindo que os micróbios enviem elétrons através de distâncias sem precedentes.
“Era sabido que as bactérias podem produzir eletricidade, mas ninguém conhecia a estrutura molecular”, disse Malvankar. “Finalmente, encontramos essa molécula.”
Baterias vivas, respirando
Os pesquisadores têm usado colônias de Geobacter para alimentar pequenos componentes eletrônicos por mais de uma década. Uma grande vantagem dessas chamadas células de combustível microbianas é sua longevidade. As bactérias podem se reparar e se reproduzir quase indefinidamente, criando uma carga elétrica pequena, mas constante; em um experimento da Marinha dos EUA, conduzido em 2008, os pesquisadores usaram uma célula de combustível Geobacter para alimentar uma pequena bóia climática no rio Potomac de Washington, D.C. por mais de nove meses, sem mostrar qualquer sinal de enfraquecimento. No entanto, a carga fornecida por essas células de combustível é extremamente pequena (a bóia da Marinha funcionava com cerca de 36 miliwatts, ou milésimos de watt, de potência), limitando severamente os tipos de eletrônicos que podem alimentar.
Com essa nova pesquisa, os cientistas agora sabem como manipular nanofios microbianos para torná-los mais fortes e condutores. Esta informação pode tornar a produção de bioeletrônicos mais barata e mais fácil, disse Malvankar, esperançosamente inaugurando uma nova geração de baterias ecologicamente corretas movidas a bactérias.
Ainda estamos muito longe de carregar nossos iPhones com um punhado de Geobacter, acrescentou ele, mas o poder da grade elétrica microscópica sob nossos pés ficou um pouco mais fácil de entender.
Publicado em 19/09/2020 01h36
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