Noslēpumainas baktērijas, kas veido elektrības vadus

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Larsam Pīteram Nīlsenam viss sākās ar sērūdeņraža noslēpumaino pazušanu. Mikrobiologs savāca melnos, smirdīgos dubļus no Dānijas Orhūsas ostas dibena, iemeta lielās stikla vārglāzēs un ievietoja īpašus mikrosensorus, kas atklāja izmaiņas dubļu ķīmiskajā sastāvā.

Eksperimenta sākumā kompozīcija tika piesātināta ar sērūdeņradi – nogulumu smakas un krāsas avotu. Bet pēc 30 dienām viena netīrumu sloksne kļuva bāla, kas liecina par sērūdeņraža zudumu. Galu galā mikrosensori parādīja, ka viss savienojums ir pazudis. Ņemot vērā to, ko zinātnieki zināja par dubļu bioģeoķīmiju, atgādina Nīlsens no Orhūsas universitātes, "tam nebija jēgas."

Viņš teica, ka pirmais skaidrojums bija tāds, ka sensori ir nepareizi. Taču iemesls izrādījās daudz dīvaināks: baktērijas, kas savieno šūnas, izveido elektriskos kabeļus, kas var vadīt strāvu līdz 5 centimetriem cauri netīrumiem.

Mikrobos nekad neredzēta adaptācija ļauj šīm tā dēvētajām kabeļu baktērijām pārvarēt lielu problēmu, ar ko saskaras daudzi organismi, kas dzīvo dubļos: skābekļa trūkumu. Tā trūkums parasti neļauj baktērijām metabolizēt savienojumus, piemēram, sērūdeņradi pārtikā. Bet kabeļi, saistot mikrobus ar skābekli bagātām nogulsnēm, ļauj tiem reaģēt lielos attālumos.

Kad Nīlsens 2009. gadā pirmo reizi aprakstīja atklājumu, viņa kolēģi bija skeptiski noskaņoti. Antverpenes universitātes ķīmijas inženieris Filips Meismans atceras, ka domāja: "Tās ir pilnīgas muļķības." Jā, pētnieki zināja, ka baktērijas var vadīt elektrību, bet ne tādā attālumā, kādu ieteica Nīlsens. "Tas bija tā, it kā mūsu pašu vielmaiņas procesi varētu ietekmēt 18 kilometru attālumu," saka mikrobiologs Andreass Teske no Ziemeļkarolīnas universitātes Chapel Hill.

Bet jo vairāk pētnieki meklēja "elektrificētos" dubļus, jo vairāk viņi to atrada gan sāls, gan saldūdenī. Viņi arī identificēja otru netīrumus mīlošo elektrisko mikrobu veidu: nanovadu baktērijas, atsevišķas šūnas, kas audzē olbaltumvielu struktūras, kas var pārvietot elektronus īsākos attālumos.

Šie nanovadu mikrobi ir sastopami visur, arī cilvēka mutē

Atklājumi liek pētniekiem pārrakstīt mācību grāmatas; pārdomāt dubļu baktēriju lomu galveno elementu, piemēram, oglekļa, slāpekļa un fosfora, apstrādē; un pārskatīt, kā tie ietekmē ūdens ekosistēmas un klimata pārmaiņas.

Zinātnieki meklē arī praktiskus pielietojumus, pētot baktēriju potenciālu, kas satur kabeļus un nanovadus, lai apkarotu piesārņojumu un barotu elektroniskās ierīces. "Mēs redzam daudz vairāk mijiedarbības mikrobiem un mikrobiem, kas izmanto elektrību," saka Meismans. "Es to saucu par elektrisko biosfēru."

Lielākā daļa šūnu plaukst, paņemot elektronus no vienas molekulas, ko sauc par oksidāciju, un pārnesot tos uz citu molekulu, parasti skābekli, ko sauc par reducēšanu. Enerģija, kas iegūta no šīm reakcijām, regulē citus dzīvības procesus. Eikariotu šūnās, arī mūsu pašu, šādas "redoks" reakcijas notiek uz mitohondriju iekšējās membrānas, un attālumi starp tām ir niecīgi - tikai mikrometri. Tāpēc tik daudzi pētnieki bija skeptiski noskaņoti pret Nīlsena apgalvojumu, ka kabeļu baktērijas pārvieto elektronus caur golfa bumbiņas izmēra netīrumu slāni.

Sērūdeņraža izzušana bija galvenais, lai to pierādītu. Baktērijas veido savienojumu dubļos, sadalot augu atliekas un citus organiskos materiālus; dziļākos nogulumos skābekļa trūkuma dēļ uzkrājas sērūdeņradis, kas palīdz citām baktērijām to noārdīt. Tomēr sērūdeņradis joprojām pazuda Nīlsena vārglāzēs. Turklāt uz netīrumu virsmas parādījās rūsa nokrāsa, kas liecināja par dzelzs oksīda veidošanos.

Kādu nakti pamostoties, Nīlsens nāca klajā ar dīvainu skaidrojumu: ja nu dubļos apraktās baktērijas pabeigtu redoksreakciju, kaut kā apejot skābekļa nabadzīgos slāņus? Kā būtu, ja tā vietā viņi izmantotu bagātīgo sērūdeņraža daudzumu kā elektronu donoru un pēc tam novirzītu elektronus uz ar skābekli bagāto virsmu? Tur oksidācijas procesā veidojas rūsa, ja tajā ir dzelzs.

Atrast, kas nes šos elektronus, ir izrādījies grūti. Pirmkārt, Nīlsam Rīsgārdam-Petersenam no Nīlsena komandas bija jāizslēdz vienkāršāka iespēja: metāla daļiņas nogulumos nes elektronus uz virsmu un izraisa oksidāciju. Viņš to panāca, netīrumu stabā ievietojot stikla pērlīšu slāni, kas nevada elektrību. Neskatoties uz šo šķērsli, pētnieki joprojām atrada elektrisko strāvu, kas pārvietojas pa dubļiem, kas liecina, ka metāla daļiņas nebija vadošas.

Lai noskaidrotu, vai kabelis vai vads nenes elektronus, pētnieki izmantoja volframa stiepli, lai horizontāli iegrieztu dubļu kolonnu. Nodzisa strāva, it kā būtu pārgriezts vads. Citi darbi samazināja vadītāja izmēru, liekot domāt, ka tā diametram jābūt vismaz 1 mikrometram. "Tas ir normāls baktēriju lielums," saka Nīlsens.

Galu galā elektronu mikrogrāfi atklāja iespējamo kandidātu: garas, plānas baktēriju šķiedras, kas parādījās stikla lodīšu slānī, kas tika ievietots vārglāzēs, kas piepildītas ar dubļiem no Orhūsas ostas. Katrs pavediens sastāvēja no šūnu kaudzes - līdz 2000 -, kas bija ieskautas rievotā ārējā membrānā. Telpā starp šo membrānu un šūnām, kas sakrautas viena virs otras, virkne paralēlu "vadu" stiepa pavedienu visā tā garumā. Kabelim līdzīgais izskats iedvesmoja mikroba parasto nosaukumu.

Meismans, bijušais skeptiķis, ātri pārvērtās. Neilgi pēc tam, kad Nīlsens paziņoja par savu atklājumu, Meismans nolēma izpētīt vienu no saviem jūras dubļu paraugiem. "Es pamanīju tās pašas krāsas izmaiņas nogulumos, ko viņš redzēja," atceras Meismans. "Tas bija mātes dabas norādījums, lai to uztvertu nopietnāk."

Viņa komanda sāka izstrādāt instrumentus un metodes mikrobu izpētei, dažreiz strādājot kopā ar Nīlsena grupu. Bija grūti iet. Baktēriju pavedieni pēc izolācijas mēdz ātri bojāties, un standarta elektrodi strāvas mērīšanai mazos vadītājos nedarbojas. Bet, kad pētnieki iemācījās izdalīt vienu pavedienu un ātri piestiprināt atsevišķu elektrodu, "mēs redzējām patiešām augstu vadītspēju," saka Meismans. Viņš teica, ka tiešraides kabeļi nevar konkurēt ar vara vadiem, taču tie atbilst saules paneļos un mobilo tālruņu ekrānos izmantotajiem vadītājiem, kā arī labākajiem organiskajiem pusvadītājiem.

Pētnieki arī analizēja kabeļu baktēriju anatomiju. Izmantojot ķīmiskās vannas, viņi izolēja cilindrisko apvalku, konstatējot, ka tajā ir 17 līdz 60 paralēlas šķiedras, kas salīmētas kopā. Apvalks ir vadītspējas avots, Meismans un kolēģi pagājušajā gadā ziņoja Nature Communications. Precīzs tā sastāvs joprojām nav zināms, bet tas var būt uz proteīnu bāzes.

"Tas ir sarežģīts organisms," saka Nīlsens, kurš tagad vada Dānijas valdības 2017. gadā izveidoto Elektromikrobioloģijas centru. Viena no problēmām, ko centrs risina, ir mikrobu masveida ražošana kultūrā. "Ja mums būtu tīra kultūra, būtu daudz vieglāk" pārbaudīt idejas par šūnu metabolismu un vides ietekmi uz vadītspēju, saka Andreass Šramms no centra. Kultivētās baktērijas arī atvieglos kabeļu vadu izolāciju un iespējamo bioremediācijas un biotehnoloģijas pielietojumu pārbaudi.

Kamēr pētnieki ir neizpratnē par baktērijām kabelī, citi meklē citu nozīmīgu elektrisko dubļu spēlētāju: uz nanovadiem balstītas baktērijas, kuras tā vietā, lai šūnas saloktu kabeļos, no katras šūnas izaudzē proteīna vadus 20 līdz 50 nm garumā.

Tāpat kā ar kabeļu baktērijām, nogulumu noslēpumainais ķīmiskais sastāvs noveda pie nanovadu mikrobu atklāšanas. 1987. gadā mikrobiologs Dereks Lovlijs, kurš tagad strādā Masačūsetsas Amherstas Universitātē, mēģināja saprast, kā mēslojuma notekūdeņu fosfāts - barības viela, kas veicina aļģu ziedēšanu - tiek atbrīvota no nogulumiem zem Potomakas upes Vašingtonā, DC. strādāja un sāka tos ravēt no netīrumiem. Izaudzējis vienu, ko tagad sauc par Geobacter Metallireducens, viņš pamanīja (ar elektronu mikroskopu), ka baktērijas ir izveidojušas saites ar tuvumā esošajiem dzelzs minerāliem. Viņam bija aizdomas, ka pa šiem vadiem tiek nēsāti elektroni, un galu galā saprata, ka Geobacter organizēja ķīmiskas reakcijas dubļos, oksidējot organiskos savienojumus un pārnesot elektronus uz minerāliem. Pēc tam šie samazinātie minerāli atbrīvo fosforu un citus elementus.

Tāpat kā Nīlsens, arī Lovely saskārās ar skepsi, kad viņš pirmo reizi aprakstīja savu elektrisko mikrobu. Tomēr šodien viņš un citi ir reģistrējuši gandrīz duci nanovadu mikrobu veidu, atrodot tos citās vidēs, nevis netīrumos. Daudzi pārvadā elektronus uz un no daļiņām nogulumos. Bet daži paļaujas uz citiem mikrobiem, lai saņemtu vai uzglabātu elektronus. Šī bioloģiskā partnerība ļauj abiem mikrobiem "iesaistīties jauna veida ķīmijā, ko neviens organisms nevar veikt viens pats", saka Viktorija Orfana, Kalifornijas Tehnoloģiju institūta ģeobioloģe. Kamēr kabeļu baktērijas atrisina savas redoksu vajadzības, transportējot tās lielos attālumos skābekli saturošos dubļos, šie mikrobi ir atkarīgi viens no otra vielmaiņas, lai apmierinātu savas redoksu vajadzības.

Daži pētnieki joprojām strīdas par to, kā baktēriju nanovadi vada elektronus. Lovlijs un viņa kolēģi ir pārliecināti, ka galvenais ir proteīnu ķēdes, ko sauc par pilīniem, kas sastāv no apļveida aminoskābēm. Kad viņš un viņa kolēģi samazināja gredzenveida aminoskābju daudzumu pilīnā, nanovadi kļuva mazāk vadoši. "Tas bija patiešām pārsteidzošs," saka Lovely, jo ir vispāratzīts, ka olbaltumvielas ir izolatori. Bet citi domā, ka šis jautājums nebūt nav atrisināts. Orphan, piemēram, saka, ka, lai gan "ir pārliecinoši pierādījumi … es joprojām nedomāju, ka [nanovada vadīšana] ir labi saprotama."

Skaidrs ir tas, ka elektriskās baktērijas ir visur. Piemēram, 2014. gadā zinātnieki atklāja kabeļu baktērijas trīs ļoti atšķirīgos biotopos Ziemeļjūrā: paisuma un paisuma sāls purvā, jūras gultnes baseinā, kur skābekļa līmenis dažos gadalaikos pazeminās līdz gandrīz nullei, un appludinātā dubļainā līdzenumā jūras tuvumā. … krastā. (Viņi tos neatrada smilšainā apvidū, kurā mīt tārpi, kas kuļ nogulumus un izjauc kabeļus.) Citur pētnieki ir atraduši DNS pierādījumus par kabeļu baktērijām dziļos, ar skābekli nabadzīgos okeāna baseinos, karsto avotu apgabalos un aukstos apstākļos. noplūdes, kā arī mangrovju un plūdmaiņu krasti gan mērenajos, gan subtropu reģionos.

Kabeļu baktērijas ir sastopamas arī saldūdens vidē. Pēc Nīlsena rakstu izlasīšanas 2010. un 2012. gadā mikrobiologa Rainera Mekenstoka vadītā komanda atkārtoti pārbaudīja nogulumu serdes, kas tika izurbtas gruntsūdeņu piesārņojuma apsekojuma laikā Diseldorfā, Vācijā. "Mēs atradām [kabeļu baktērijas] tieši tur, kur domājām, ka tās atradīsim," dziļumā, kur bija izsmelts skābeklis, atceras Mekenstoks, kurš strādā Duisburgas-Esenes Universitātē.

Nanovadu baktērijas ir vēl plašāk izplatītas. Pētnieki tos ir atraduši augsnēs, rīsu laukos, dziļās zarnās un pat notekūdeņu attīrīšanas iekārtās, kā arī saldūdens un jūras nogulumos. Tās var pastāvēt visur, kur veidojas bioplēves, un bioplēvju visuresamība ir vēl viens pierādījums par šo baktēriju lielo lomu dabā.

Elektrisko dūņu baktēriju daudzveidība arī liecina, ka tām ir svarīga loma ekosistēmās. Piemēram, novēršot sērūdeņraža uzkrāšanos, kabeļu baktērijas, iespējams, padara netīrumus piemērotākus citām dzīvības formām. Mekenstoka, Nīlsens un citi ir atraduši tos uz jūraszāles un citu ūdensaugu saknēm vai to tuvumā, kas atbrīvo skābekli, ko baktērijas, iespējams, izmanto sērūdeņraža sadalīšanai. Tas savukārt aizsargā augus no toksiskās gāzes. Šī partnerība "šķiet ļoti raksturīga ūdensaugiem", sacīja Mekenstoks.

Roberts Allers, Stony Brook universitātes jūras bioģeoķīmiķis, uzskata, ka baktērijas var palīdzēt arī daudziem zemūdens bezmugurkaulniekiem, tostarp tārpiem, kas veido urvas, kas ļauj skābekli saturošam ūdenim iekļūt dubļos. Viņš atrada kabeļu baktērijas, kas pielipušas pie tārpu cauruļu malām, iespējams, tāpēc tās varētu izmantot šo skābekli elektronu uzglabāšanai. Savukārt šie tārpi ir pasargāti no toksiskā sērūdeņraža. "Baktērijas padara [urbu] apdzīvojamāku," saka Allers, kurš šīs saites aprakstīja 2019. gada jūlija rakstā Science Advances.

Mikrobi maina arī netīrumu īpašības, saka Merilendas Universitātes Vides zinātņu centra ekoloģe Saira Malkina. "Tie ir īpaši efektīvi… ekosistēmu inženieri." Kabeļu baktērijas "aug kā ugunsgrēks," viņa saka; Uz plūdmaiņu austeru rifiem viņa atklāja: Viens kubikcentimetrs dubļu var saturēt 2859 metrus kabeļu, kas cementē daļiņas vietā, iespējams, padarot nogulumus izturīgākus pret jūras organismiem.

Baktērijas arī maina netīrumu ķīmisko sastāvu, padarot virsmai tuvākos slāņus sārmainākus un dziļākos slāņus skābākus, atklāja Malkins. Viņa teica, ka šādi pH gradienti var ietekmēt "daudzus ģeoķīmiskos ciklus", tostarp tos, kas saistīti ar arsēnu, mangānu un dzelzi, radot iespējas citiem mikrobiem.

Tā kā plašas planētas zonas ir klātas ar dubļiem, pētnieki saka, ka baktērijas, kas saistītas ar kabeļiem un nanovadiem, visticamāk, ietekmēs globālo klimatu. Piemēram, nanovadu baktērijas var ņemt elektronus no organiskiem materiāliem, piemēram, mirušiem kramaļģiem, un pēc tam nodot tos citām baktērijām, kas ražo metānu, spēcīgu siltumnīcefekta gāzi. Dažādos apstākļos kabeļu baktērijas var samazināt metāna veidošanos.

Nākamajos gados "mēs redzēsim plašu atzīšanu par šo mikrobu nozīmi biosfērā," saka Malkins. Nedaudz vairāk nekā desmit gadus pēc tam, kad Nīlsens pamanīja noslēpumaino sērūdeņraža pazušanu no Orhūsas dubļiem, viņš saka: "Ir reibinoši domāt par to, ar ko mēs šeit nodarbojamies."

Nākamais: tālrunis, ko darbina mikrobu vadi?

Elektrisko mikrobu pionieri ātri izdomāja, kā šīs baktērijas izmantot."Tagad, kad mēs zinām, ka evolūcija ir spējusi radīt elektriskos vadus, būtu kauns, ja mēs tos neizmantotu," saka Larss Pīters Nīlsens, Orhūsas universitātes mikrobiologs.

Viens no iespējamiem lietojumiem ir piesārņojošo vielu noteikšana un kontrole. Šķiet, ka kabeļu mikrobi plaukst organisko savienojumu, piemēram, eļļas, klātbūtnē, un Nīlsens un viņa komanda pārbauda iespēju, ka kabeļu baktēriju pārpilnība norāda uz neatklāta piesārņojuma klātbūtni ūdens nesējslāņos. Baktērijas tieši nesadala eļļu, bet tās var oksidēt citu eļļainu baktēriju ražoto sulfīdu. Tie var arī palīdzēt sakopt; nokrišņi ātrāk atjaunojas no jēlnaftas piesārņojuma, kad to kolonizē kabeļu baktērijas, janvārī žurnālā Water Research ziņoja cita pētījumu grupa. Spānijā trešā komanda pēta, vai nanovadu baktērijas var paātrināt piesārņoto mitrāju attīrīšanu. Un pat pirms nanovadu baktērijas bija elektriskās, tās parādīja solījumu attīrīt kodolatkritumus un ūdens nesējslāņus, kas piesārņoti ar aromātiskiem ogļūdeņražiem, piemēram, benzolu vai naftalīnu.

Elektriskās baktērijas var arī radīt jaunas tehnoloģijas. Tos var ģenētiski modificēt, lai mainītu to nanovadus, kurus pēc tam var nogriezt, veidojot jutīgu valkājamo sensoru mugurkaulu, sacīja Dereks Lovlijs, Masačūsetsas Universitātes (UMass), Amherstas mikrobiologs. "Mēs varam izstrādāt nanovadus un pielāgot tos, lai īpaši saistītu interesējošos savienojumus." Piemēram, Nano Research 11. maija Lovely numurā UMass inženieris Jun Yao un viņu kolēģi aprakstīja nanovadu sensoru, kas nosaka amonjaka koncentrāciju, kas nepieciešama lauksaimniecības, rūpniecības, vides un biomedicīnas vajadzībām.

Izveidoti kā plēve, nanovadi var radīt elektrību no gaisa mitruma. Pētnieki uzskata, ka plēve rada enerģiju, kad starp plēves augšējo un apakšējo malu notiek mitruma gradients. (Augšējā mala ir vairāk jutīga pret mitrumu.) Tā kā ūdens ūdeņraža un skābekļa atomi gradienta dēļ atdalās, rodas lādiņš un elektroni plūst. Jao un viņa komanda 17. februārī Nature ziņoja, ka šāda plēve var radīt pietiekami daudz enerģijas, lai iedegtu gaismas diode, un 17 šādas kopā savienotas ierīces varētu darbināt mobilo tālruni. Šī pieeja ir "revolucionāra tehnoloģija atjaunojamās, tīras un lētas enerģijas ražošanai," saka Qu Lianti, materiālu zinātnieks no Tsinghua universitātes. (Citi ir piesardzīgāki, atzīmējot, ka iepriekšējie mēģinājumi izspiest enerģiju no mitruma, izmantojot grafēnu vai polimērus, ir bijuši neveiksmīgi.)

Galu galā pētnieki cer izmantot baktēriju elektriskās spējas, neriskējot ar izvēlīgiem mikrobiem. Piemēram, Catch pārliecināja parasto laboratorijas un rūpniecisko baktēriju Escherichia coli izveidot nanovadus. Tam vajadzētu atvieglot pētniekiem konstrukciju masveida ražošanu un to praktisko pielietojumu izpēti.