Tutto dipende dal primo elettrone

Tutto ciò che vive ha bisogno di energia. Questo vale anche per i microrganismi. Le cellule spesso generano energia attraverso la respirazione, cioè bruciando organi. In questo modo si liberano elettroni di cui i microrganismi devono liberarsi. Se non c'è ossigeno disponibile, utilizzano altri metodi, tra cui il trasporto degli elettroni a minerali esterni alle cellule.

I tassi di riduzione fluttuano notevolmente

Nei sedimenti lacustri o nei terreni privi di ossigeno, gli ossidi di ferro svolgono un ruolo importante come accettori degli elettroni rilasciati. Ma come fanno gli elettroni a passare dalla combustione nelle cellule agli ossidi di ferro fuori dalla cellula? I microrganismi utilizzano speciali molecole che agiscono come un taxi per raccogliere due elettroni dalla superficie cellulare e trasportarli agli ossidi di ferro. Lì, entrambi gli elettroni escono e riducono il ferro trivalente in ferro divalente. Il taxi è di nuovo libero e può trasportare nuovamente gli elettroni.

Queste navette extracellulari di elettroni, in breve EES, sono note da tempo. Tuttavia, in precedenza non era chiaro perché la loro efficienza dipendesse fortemente dalla loro struttura e dalle condizioni ambientali, e quindi perché il tasso di riduzione dell'ossido di ferro variasse di diversi ordini di grandezza. I precedenti tentativi di spiegare le grandi differenze di efficienza con fattori noti come il valore del pH o la differenza di energia tra gli elettroni dei taxi elettronici e il ferro degli ossidi non hanno ancora avuto successo.

Gli elettroni devono essere considerati singolarmente

Uno studio appena pubblicato sulla rivista PNAS (Uno studio di ricercatori dell'Eawag e dell'ETH di Zurigo pubblicato nei Proceedings of the National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America mostra ora come le differenze di efficienza delle EES possano essere spiegate da un'unica relazione univoca. "Non abbiamo considerato l'energia media di entrambi gli elettroni trasportati, come avveniva in precedenza, ma il rispettivo livello energetico dei singoli elettroni", spiega Meret Aeppli, primo autore dello studio. ? emerso che il trasferimento del primo elettrone dalla SEO all'ossido di ferro è spesso energeticamente molto meno favorevole del trasferimento del secondo", spiega Thomas Hofstetter, chimico ambientale dell'Eawag.

I ricercatori sono riusciti a dimostrare che la differenza di energia tra il primo elettrone trasferito dalla EES all'ossido di ferro determina il tasso di riduzione del ferro. Questo approccio è stato in grado di spiegare le differenze di efficienza delle diverse EES, sia su un ampio intervallo di pH che per due diversi ossidi di ferro. Michael Sander, professore di chimica organica dell'ambiente presso l'ETH di Zurigo, riassume il processo in un'immagine: "In molte condizioni, il primo elettrone non vuole effettivamente scendere dal taxi EES, ma viene spinto fuori dal sedile posteriore, per così dire, dal secondo elettrone".

Trasferimento di elettroni visualizzato con luce UV

Per il loro studio, gli autori hanno sviluppato esperimenti propri e raccolto dati, oltre a integrare i risultati di studi precedenti. Per gli esperimenti condotti nei laboratori dell'Eawag e dell'ETH, i ricercatori hanno utilizzato molecole di EES naturali e sintetiche e hanno studiato due ossidi di ferro(III) ampiamente utilizzati. I ricercatori sono riusciti a visualizzare il tasso di trasferimento di elettroni dalle EES agli ossidi di ferro e quindi l'efficienza del trasporto di elettroni utilizzando la luce UV. Questo perché la luce UV viene assorbita in modo diverso dalle EES, a seconda che viaggino con o senza i due elettroni.

Piccole ma potenti

Lo studio descrive solo una piccola fase della respirazione microbica. Ma è fondamentale per molti processi. E poiché ora è finalmente compreso universalmente, i ricercatori possono confrontare meglio la respirazione anaerobica su fasi minerali tra studi e sistemi. Per quanto piccolo possa sembrare questo passaggio, può essere rilevante per la comprensione dei processi biogeochimici globali - ad esempio, la decomposizione anaerobica della materia organica nei suoli del permafrost in fase di scongelamento, un processo in cui enormi quantità di CO₂ vengono rilasciati.

Questo articolo di Andri Bryner è apparso per la prima volta sul portale pagina esternaPiattaforma di notizie Eawag.