Close
Logo
About
FAQ
Home
Collections
Login
USC Login
Register
0
Selected 
Invert selection
Deselect all
Deselect all
 Click here to refresh results
 Click here to refresh results
USC
/
Digital Library
/
University of Southern California Dissertations and Theses
/
Electronic, electrochemical, and spintronic characterization of bacterial electron transport
(USC Thesis Other) 

Electronic, electrochemical, and spintronic characterization of bacterial electron transport

doctype icon
play button
PDF
 Download
 Share
 Open document
 Flip pages
 More
 Summarize
 Download a page range
 Download transcript
Contact Us
Contact Us
Copy asset link
Request this asset
Transcript (if available)
Content



v




Table of Contents

Acknowledgments .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  ii
List of Figures .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  viii
List of Tables .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  xviii
Abstract   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  xix
Chapter 1:   Introduction .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  1
1.1   Background: the Systems of Study .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  1
1.1.1   Extracellular Electron Transport .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  1
1.1.2   Shewanella oneidensis: Physiology and Key Discoveries .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  3
1.1.3   Geobacter sulfurreducens: Physiology and Key Discoveries .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  7
1.1.4   Chirality and the Chiral Induced Spin Selectivity Effect.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  8
1.1.5   Long-Distance Electron Transport in Biology .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  11
1.2   Methods .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  15
1.2.1   Atomic Force Microscopy .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  15
1.2.2   Scanning Tunneling Microscopy .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  18
1.2.3   Electrochemical Techniques .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  19
1.3   Overview of Chapters .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  21
Chapter 2:   Light induced deposition of Shewanella facilitates characterization of electron
transport mechanisms in biofilms .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  25
2.1   Introduction .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  25
2.2   Materials and Methods .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  32
2.2.1   Bioreactor Construction .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  32
2.2.2   Fabrication of Custom Interdigitated Array Electrodes .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  33
2.2.3   Cyclic Voltammetry .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  34
2.2.4   Electrochemical Gating .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  34
2.2.5   Strain Construction .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  35
2.2.6   Cell Culturing .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  35
2.2.7   Determination of a Define Biofilm Geometry .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  36
2.2.8   Crystal Violet Staining .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  36
vi

2.3   Results and Discussion .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  37
2.3.1   Overview of Wild-Type Patterning Work .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  37
2.3.2   Distance Dependent Conduction in Wild-Type Patterned Biofilms .  .  .  .  .  .  .  38
2.3.3   Electrochemical Interrogations of Biofilms with Cytochrome Expression  
Tuned by Vanillic Acid Concentration .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  41
2.3.4   Periplasmic Cytochrome Deficient Biofilms .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  46
2.3.5   Using the iLight Sensor to Exert Optogenetic Control of Cytochrome  
Expression in Shewanella Biofilms .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  57
2.4   Conclusion .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  65
Chapter 3:   Investigation of Chiral Induced Spin Selectivity in Isolated Shewanella Proteins .  68
3.1   Introduction .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  68
3.2   Materials and Methods .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  71
3.2.1   Protein Purification .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  71
3.2.2   Protein Monolayer Formation .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  73
3.2.3   Protein Monolayer Characterization by AFM .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  75
3.2.4   Magnetic Heterostructure Fabrication .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  75
3.2.5   Magnetic Conductive AFM Experiment .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  76
3.2.6   PMIRRAS Characterization of STC-M .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  76
3.2.7   Protein Electrochemical Characterization .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  77
3.2.8   STM Experiment .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  79
3.2.9   Hall Device Preparation .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  79
3.2.10   Hall Voltage Experiment .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  80
3.2.11   Substrate Characterization by Polar Magneto-optic Kerr Effect Measurement .  81
3.3   Results and Discussion .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  81
3.4   Conclusion .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  87
Chapter 4:   Magnetic Field Dependent Respiration Rates in Geobacter Biofilms .  .  .  .  .  .  .  89
4.1   Introduction .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  89
4.2   Materials and Methods .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  90
4.2.1   G. sulfurreducens Culturing.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  90
4.2.2   Reactor Construction and Preparation .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  90
4.2.3   G. sulfurreducens Electrochemical Pre-growth .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  92
4.2.4   Electrode Fabrication and Preparation .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  93
4.2.5   Magnetic Field Dependent Chronoamperometry .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  94
4.3   Results and Discussion .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  95
4.4   Conclusion .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  102
Chapter 5:   Characterization of Electron Transport in Cable Bacteria  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  104
5.1   Introduction .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  104
5.2   Materials and Methods .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  105
5.2.1   Sample Collection .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  105
5.2.2   Sample Processing, Incubation, and Preparation .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  107
5.2.3   Atomic Force Microscopy Under Inert Atmosphere .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  108
vii

5.2.4   Electrostatic Force Microscopy .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  110
5.2.5   Conductive AFM .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  112
5.2.6   Frequency Modulated Kelvin Probe Force Microscopy .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  113
5.3   Results and Discussion .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  115
5.4   Conclusion .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  120
Chapter 6:   Conclusion .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  122
Bibliography .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  127
Appendix A:   Media Recipes .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  147
A.1   S. oneidensis Minimal Media .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  147
A.2   S. oneidensis Vitamins (1000X Stock) .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  148
A.3   S. oneidensis Minerals (100X Stock) .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  149
A.4   S. oneidensis Amino Acids Solution (100X Stock) .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  150 
Abstract (if available)
Abstract All biological energy conversion strategies require electron transfer in some form. To gain a competitive advantage and survive in environments devoid of soluble electron acceptors, some microbes have adapted the ability to transfer electrons to external abiotic surfaces. This extracellular electron transfer (EET) is achieved through a suite of iron-containing proteins dubbed "multiheme cytochromes" which form an extended electron transfer network beginning at the inner membrane, extending into the periplasm, through the outer membrane, and along the cell surface. Study of these electron conduits has broader implications than EET for biological electron transfer. The study of EET capable organisms has extended the known length scales of biological electron transfer by many orders of magnitude, and recent results have shown that electron transport in multiheme cytochromes is spin selective. Thus the fields of Long-Distance Electron Transport (LDET) and Chiral Induced Spin Selectivity (CISS) are intermingled with the field of EET.

While the CISS effect is well established in a variety of chiral molecules, only one previous study has looked at multiheme cytochromes implicated in EET, and that study was limited to cell surface cytochromes. I investigated the CISS effect in two key components of the EET pathway in S. oneidensis: the periplasmic cytochrome STC and the membrane-spanning cytochrome MtrA. The measurements show higher spin selectivity in MtrA than STC, and demonstrate that, beyond the cell surface reductases, spin filtering is exhibited by multiple EET proteins that span the cell envelope.

As the suite of cytochromes confirmed to be spin selective expands, it is important to note that the biological impact of CISS on electron transfer by living cells has not been verified. I conducted preliminary measurements which represent the first evidence for in vivo spin selectivity. Magnetochronoamperometry measurements of G. sulfurreducens biofilms show that the respiration rates of these cells respond on the order of seconds to changes in the orientation of an out-of-plane magnetic field.

To study long-distance biofilm conduction and how different cytochromes throughout the cell envelope affect EET, I use electrochemistry to investigate the conductive properties and electrode activity of light-deposited S. oneidensis wild-type and cytochrome deficient biofilms.

While S. oneidensis performs LDET on the scale of many microns, recently discovered cable bacteria form multicellular communities with centimeter scale electron transport. To address the mechanism of LDET in cable bacteria, we use scanning probe techniques to achieve nanometer scale mapping of local electronic properties of conducting structures. I share preliminary electrostatic force microscopy and Kelvin probe force microscopy measurements on cable bacteria samples collected from three sites in Southern California. 
Linked assets
University of Southern California Dissertations and Theses
doctype icon
University of Southern California Dissertations and Theses 
Conceptually similar
From cables to biofilms: electronic and electrochemical characterization of electroactive microbial systems
PDF
From cables to biofilms: electronic and electrochemical characterization of electroactive microbial systems 
Bacterial nanowires of Shewanella oneidensis MR-1: electron transport mechanism, composition, and role of multiheme cytochromes
PDF
Bacterial nanowires of Shewanella oneidensis MR-1: electron transport mechanism, composition, and role of multiheme cytochromes 
From single molecules to bacterial nanowires: functional and dynamic imaging of the extracellular electron transfer network in Shewanella oneidensis MR-1
PDF
From single molecules to bacterial nanowires: functional and dynamic imaging of the extracellular electron transfer network in Shewanella oneidensis MR-1 
Electrochemical studies of outward and inward extracellular electron transfer by microorganisms from diverse environments
PDF
Electrochemical studies of outward and inward extracellular electron transfer by microorganisms from diverse environments 
From fuel cells to single cells: electrochemical measurements of direct electron transfer at microbial-electrode interfaces
PDF
From fuel cells to single cells: electrochemical measurements of direct electron transfer at microbial-electrode interfaces 
Kinetic Monte Carlo simulations for electron transport in redox proteins: from single cytochromes to redox networks
PDF
Kinetic Monte Carlo simulations for electron transport in redox proteins: from single cytochromes to redox networks 
Electrochemical studies of subsurface microorganisms
PDF
Electrochemical studies of subsurface microorganisms 
Microbial electron transfer and biogenic nanomaterials: experiments, theory, and simulations at the bacterial-inorganic interface
PDF
Microbial electron transfer and biogenic nanomaterials: experiments, theory, and simulations at the bacterial-inorganic interface 
Electrochemical investigations and imaging tools for understanding extracellular electron transfer in phylogenetically diverse bacteria
PDF
Electrochemical investigations and imaging tools for understanding extracellular electron transfer in phylogenetically diverse bacteria 
Quorum sensing interaction networks in bacterial communities
PDF
Quorum sensing interaction networks in bacterial communities 
Microbially synthesized chalcogenide nanostructures: characterization and potential applications
PDF
Microbially synthesized chalcogenide nanostructures: characterization and potential applications 
Mathematical modeling in bacterial communication and optogenetic systems
PDF
Mathematical modeling in bacterial communication and optogenetic systems 
Developmnt of high-frequency electron paramagnetic resonance (EPR) spectrometer and investigation of paramagnetic defects and impurities in diamonds by multi-frequency EPR spectroscopy
PDF
Developmnt of high-frequency electron paramagnetic resonance (EPR) spectrometer and investigation of paramagnetic defects and impurities in diamonds by multi-frequency EPR spectroscopy 
Identification of a new bacterial sensing mechanism: characterization of bacterial insoluble electron acceptor sensing
PDF
Identification of a new bacterial sensing mechanism: characterization of bacterial insoluble electron acceptor sensing 
Investigations in the field of geobiology through the use of digital holographic microscopy
PDF
Investigations in the field of geobiology through the use of digital holographic microscopy 
Extracellular electron transport: Investigating the diversity and mechanisms behind an understudied microbial process with global implications
PDF
Extracellular electron transport: Investigating the diversity and mechanisms behind an understudied microbial process with global implications 
Magnetic deflection of doped helium nanodroplets
PDF
Magnetic deflection of doped helium nanodroplets 
Fabrication, deposition, and characterization of size-selected metal nanoclusters with a magnetron sputtering gas aggregation source
PDF
Fabrication, deposition, and characterization of size-selected metal nanoclusters with a magnetron sputtering gas aggregation source 
Investigation of gas transport and sorption in shales
PDF
Investigation of gas transport and sorption in shales 
Vibrational spectroscopy and molecular orientation at interfaces: correlating the structure of a material's surface to its properties
PDF
Vibrational spectroscopy and molecular orientation at interfaces: correlating the structure of a material's surface to its properties 
Asset Metadata
Creator Niman, Christina (author) 
Core Title Electronic, electrochemical, and spintronic characterization of bacterial electron transport 
School College of Letters, Arts and Sciences 
Degree Doctor of Philosophy 
Degree Program Physics 
Degree Conferral Date 2023-08 
Publication Date 06/27/2023 
Defense Date 06/20/2023 
Publisher University of Southern California (original), University of Southern California. Libraries (digital) 
Tag cable bacteria,chiral induced spin selectivity,extracellular electron transport,geobacter,long-distance electron transport,OAI-PMH Harvest,Shewanella 
Format theses (aat) 
Language English
Contributor Electronically uploaded by the author (provenance) 
Advisor El-Naggar, Moh (committee chair), Boedicker, James (committee member), Finkel, Steve (committee member), Kresin, Vitaly (committee member) 
Creator Email colechri@usc.edu 
Permanent Link (DOI) https://doi.org/10.25549/usctheses-oUC113259818 
Unique identifier UC113259818 
Identifier etd-NimanChris-11996.pdf (filename) 
Legacy Identifier etd-NimanChris-11996 
Document Type Dissertation 
Format theses (aat) 
Rights Niman, Christina 
Internet Media Type application/pdf 
Type texts
Source 20230630-usctheses-batch-1059 (batch), University of Southern California (contributing entity), University of Southern California Dissertations and Theses (collection) 
Access Conditions The author retains rights to his/her dissertation, thesis or other graduate work according to U.S. copyright law.  Electronic access is being provided by the USC Libraries in agreement with the author, as the original true and official version of the work, but does not grant the reader permission to use the work if the desired use is covered by copyright.  It is the author, as rights holder, who must provide use permission if such use is covered by copyright. 
Repository Name University of Southern California Digital Library
Repository Location USC Digital Library, University of Southern California, University Park Campus MC 2810, 3434 South Grand Avenue, 2nd Floor, Los Angeles, California 90089-2810, USA
Repository Email cisadmin@lib.usc.edu
Tags
cable bacteria
chiral induced spin selectivity
extracellular electron transport
geobacter
long-distance electron transport
Shewanella