Konjugirani oligoelektrolit na osnovi ferocena katalizira bakterijsko elektrodno respiracijo

A Ferrocene-Based Conjugated Oligoelectrolyte Catalyzes Bacterial Electrode Respiration

Znanstveniki so sintetizirali umeten oligoelektrolit DSFO+, ki se interkalira v celične membrane in pospešuje prenos prostih citosolnih elektronov preko membrane na prevodno anodo.

Elektrogena bakterija Shewanella oneidensis MR-1

Shewanella oneidensis MR-1 je fakultativna Gram-negativna bakterija iz debla proteobakterij, ki je v anaerobnih pogojih sposobna redukcije kovinskih ionov (manganovih, železovih, svinčevih, uranovih, srebrovih), ki nastopajo v metabolnih poteh. Pri anaerobni celični respiraciji uporablja tudi sulfatne, nitratne in kromatne ione. MR okrajšava pomeni Manganese-Reducing. S. oneidensis je zaradi posebnih elektron transportirajočih membranskih proteinov sposobna izmenjave elektronov z zunajceličnimi prevodnimi materiali, kar omogoča njeno izkoriščanje za proizvodnjo bioelektrike. Elektrogeni mikroorganizmi so uporabni za napajanje morskih merilnih naprav. S. oneidensis bi lahko uporabljali v vodnih čistilnih napravah, kjer bi reducirala ione težkih kovin, hkrati pa bi proizvajala elektriko za napajanje ostalih čistilnih mehanizmov. Povečanje proizvodnje elektronov in njihovo pospešeno prehajanje preko membrane na površino anode je ključnega pomena za uporabnost takih mikroorganizmov. Pri elektrodni respiraciji S. oneidensis se ena molekula laktata in dve molekuli vode pretvorijo v eno molekulo acetata, hidrogenkarbonatni ion, pet protonov in štiri elektrone, pri čemer elektroni zapustijo celico (ustvari se bioelektrični tok).

Struktura DSFO+ konjugiranega elektrolita

Znanstveniki so sintetizirali E,E-1,10-bis(2-(3,5-bis((6-N,N,N-trimetilamonijevheksan-1-il)oksi)fenil)etenil)ferocenov tetrajodid ali DSFO+ za namen povečane proizvodnje elektronov in njihovo pospešeno prehajanje iz bakterije na anodo. DSFO+ je amfifilen (ima polaren in nepolaren del) in ima dolžino, ki se ujema z debelino lipidnega dvosloja (4 nm). Zaradi teh strukturnih značilnosti je bilo predvideti, da se bo DSFO+ interkaliral v lipidni dvosloj celične membrane. DSFO+ ima tudi biokompatibilen železov redoks center (ferocen), ki omogoča prenos elektronov preko membrane. Specifičnih lokacije DSFO+ molekul v celični membrani niso določili.

Analiza vpliva DSFO+ na proizvodnjo bioelektrike

Pripravili so tri različne celične kulture "S. oneidensis". Eno za divji tip bakterije, eno za delecijske mutante mtrA proteina in eno za delecijske mutante mtrB proteina. MtrA in mtrB se skupaj z mtrC in omcA proteinoma povežeta v MtrCAB-OmcA kompleks, ki ob prisotnosti kofaktorjev flavina in riboflavina, prenaša elektrone na elektrodo (anodo). Ob delecijski mutaciji mtrA ali mtrC je sposobnost elektrodne respiracije skoraj popolnoma zavrta. Vse tri kulture so na anodi pred začetkom eksperimentov tvorile biofilm (8 biofilmov za vsako kulturo za več vzporednih rezultatov). Vsem trem kulturam so dodali DSFO+ do končne koncentracije 1 µM in izmerili, da se je prenos električnega toka na anodo povečal pri vseh kulturah. Pri koncentracijah DSFO+ 0-50 nM se je ta v celoti vgradil v bakterijske membrane. Ob prisotnosti DSFO+ se je tudi povečala sama učinkovitost elektrodne respiracije. Količina elektronov, ki so se prenesli na anodo se je povečala, hkrati pa so z merjenjem porabe in nastajanja laktata ugotovili, da se tega porabi manj. To se zgodi, ker se zaradi prisotnosti DSFO+ tudi elektroni, ki bi se drugače uporabili za biosintezo različnih celičnih komponent, prenesejo čez membrano na anodo. To povišanje so prav tako opazili pri vseh treh sevih.

Analiza toksičnosti DSFO+ na bakterijske celice

Po potrditvi, da DSFO+ izboljša proizvodnjo bioelektrike, so morali ugotoviti še stopnjo toksičnosti DSFO+ na bakterijske celice. S konfokalno fluorescenčno mikroskopijo so opazovali kulturo z 1 µM koncentracijo DSFO+ in ugotovili zanemarljivo emisijo propidijevega jodida (z njim so zaznavali mrtve celice) v primerjavi z emisijo DAPI barvila, s katerim so obarvali žive celice. Torej DSFO+ pri koncentraciji 1 µM ni toksičen. Ugotovili pa so da 5 µM koncentracija DSFO+ popolnoma ustavi rast bakterij, za kar je najverjetneje krivo pomanjkanje elektronov za biosintezo bakterijskih komponent. Z vrstičnim elektronskim mikroskopom so tudi opazovali število bakterijskih celic, ki so pritrjene na anodo, in ugotovili, da se število pritrjenih celic pri nobenem sevu ne razlikuje ob prisotnosti ali odsotnosti DSFO+, kar je še en dokaz, da DSFO+ poveča prenos elektronov na anodo.

Vir

N. D. Kirchhofer, Z. D. Rengert, F.W. Dahlquist, T. Nguyen, G. C. Bazan. A Ferrocene-Based Conjugated Oligoelectrolyte Catalyzes Bacterial Electrode Respiration. Chem 2, 240-257, 2017.