โลกธรรมชาติมีโครงข่ายไฟฟ้าภายในของตัวเองซึ่งประกอบด้วยเส้นใยนาโนที่สร้างโดยแบคทีเรียขนาดเล็กทั่วโลกในดินและมหาสมุทรที่ “หายใจ” โดยการหายใจออกอิเล็กตรอนส่วนเกิน
คำบรรยายภาพ: แบคทีเรียที่ผลิตสายนาโนซึ่งประกอบด้วยไซโตโครม OmcS (เครดิต: สตูดิโอเอลล่ามารุ)
ในการศึกษาใหม่ นักวิจัยของมหาวิทยาลัยเยลค้นพบว่าแสงเป็นพันธมิตรที่น่าประหลาดใจในการส่งเสริมกิจกรรมทางอิเล็กทรอนิกส์นี้ภายในแบคทีเรียไบโอฟิล์ม พบว่าการนำสายนาโนที่ผลิตโดยแบคทีเรียไปสัมผัสกับแสงทำให้ค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นถึง 100 เท่า
ผลการวิจัยเผยแพร่เมื่อวันที่ 7 กันยายนในวารสารNature Communications
ผู้เขียนอาวุโส Nikhil Malvankarรองศาสตราจารย์ด้านโมเลกุลชีวฟิสิกส์และชีวเคมี (MBB) ของสถาบันวิทยาศาสตร์จุลชีววิทยาของเยลในวิทยาเขตตะวันตกของเยลกล่าวว่า “กระแสไฟที่เพิ่มขึ้นอย่างมากในสายนาโนที่สัมผัสกับแสงแสดงให้เห็นถึงกระแสไฟที่เสถียรและแข็งแกร่งซึ่งคงอยู่นานหลายชั่วโมง
ผลลัพธ์สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์แสวงหาวิธีการใช้ประโยชน์จากกระแสไฟฟ้าที่ซ่อนอยู่นี้เพื่อวัตถุประสงค์ที่หลากหลาย ตั้งแต่การกำจัดของเสียที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตและการสร้างแหล่งเชื้อเพลิงหมุนเวียนใหม่
สิ่งมีชีวิตเกือบทั้งหมดหายใจเอาออกซิเจนเข้าไปเพื่อกำจัดอิเล็กตรอนส่วนเกินเมื่อเปลี่ยนสารอาหารให้เป็นพลังงาน อย่างไรก็ตาม หากปราศจากออกซิเจน แบคทีเรียในดินที่อาศัยอยู่ลึกลงไปในมหาสมุทรหรือถูกฝังอยู่ใต้ดินเป็นเวลาหลายพันล้านปีได้พัฒนาวิธีการหายใจด้วย “แร่ธาตุในการหายใจ” เช่น การดำน้ำตื้น โดยใช้เส้นใยโปรตีนขนาดเล็กที่เรียกว่านาโนไวร์
เมื่อแบคทีเรียถูกแสง กระแสไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นสร้างความประหลาดใจให้กับนักวิจัย เนื่องจากแบคทีเรียส่วนใหญ่ที่ทดสอบนั้นมีอยู่ลึกลงไปในดิน ห่างไกลจากแสง การศึกษาก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่าเมื่อสัมผัสกับแบคทีเรียที่ผลิตลวดนาโนแสงจะเติบโตเร็วขึ้น
“ไม่มีใครรู้ว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร” มัลวานการ์กล่าว
ในการศึกษาครั้งใหม่ ทีม Yale ที่นำโดยนักวิจัยหลังปริญญาเอก Jens Neu และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Catharine Shipps ได้ข้อสรุปว่าโปรตีนที่ประกอบด้วยโลหะเรียกว่า cytochrome OmcS ซึ่งประกอบขึ้นเป็นสายนาโนของแบคทีเรียทำหน้าที่เป็นตัวนำแสงธรรมชาติ: สายนาโนช่วยอำนวยความสะดวกในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนอย่างมากเมื่อ แผ่นชีวะสัมผัสกับแสง
“มันเป็นรูปแบบการสังเคราะห์แสงที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง” มัลวานการ์กล่าว “ที่นี่แสงเร่งการหายใจโดยแบคทีเรียเนื่องจากการถ่ายเทอิเล็กตรอนอย่างรวดเร็วระหว่างสายนาโน”
ห้องปฏิบัติการของ Malvankar กำลังสำรวจว่าข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของแบคทีเรียสามารถนำมาใช้เพื่อกระตุ้นการเติบโตของออปโตอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างไร ซึ่งเป็นสาขาย่อยของโฟโตนิกส์ที่ศึกษาอุปกรณ์และระบบที่ค้นหาและควบคุมแสง และดักจับก๊าซมีเทน ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกที่ทราบกันว่ามีส่วนสำคัญต่อโลก อากาศเปลี่ยนแปลง.
ผู้เขียนบทความอื่น ได้แก่ Matthew Guberman-Pfeffer, Cong Shen, Vishok Srikanth, Sibel Ebru Yalcin จาก Malvankar Lab ที่ Yale; Jacob Spies ศาสตราจารย์ Gary Brudvig และศาสตราจารย์ Victor Batista จาก Yale Department of Chemistry; และ Nathan Kirchhofer จาก Oxford Instruments
