Widespread extracellular electron transfer pathways for charging microbial cytochrome OmcS nanowires via periplasmic cytochromes PpcABCDE

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作者
Pilar C. Portela,Catharine Shipps,Cong Shen,Vishok Srikanth,Carlos A. Salgueiro,Nikhil S. Malvankar
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:27
标识
DOI:10.1038/s41467-024-46192-0
摘要

Abstract Extracellular electron transfer (EET) via microbial nanowires drives globally-important environmental processes and biotechnological applications for bioenergy, bioremediation, and bioelectronics. Due to highly-redundant and complex EET pathways, it is unclear how microbes wire electrons rapidly (>10 6 s −1 ) from the inner-membrane through outer-surface nanowires directly to an external environment despite a crowded periplasm and slow (<10 5 s −1 ) electron diffusion among periplasmic cytochromes. Here, we show that Geobacter sulfurreducens periplasmic cytochromes PpcABCDE inject electrons directly into OmcS nanowires by binding transiently with differing efficiencies, with the least-abundant cytochrome (PpcC) showing the highest efficiency. Remarkably, this defined nanowire-charging pathway is evolutionarily conserved in phylogenetically-diverse bacteria capable of EET. OmcS heme reduction potentials are within 200 mV of each other, with a midpoint 82 mV-higher than reported previously. This could explain efficient EET over micrometres at ultrafast (<200 fs) rates with negligible energy loss. Engineering this minimal nanowire-charging pathway may yield microbial chassis with improved performance.

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