Paslaptingos bakterijos, gaminančios elektros laidus

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Larsui Peteriui Nielsenui viskas prasidėjo nuo paslaptingo vandenilio sulfido išnykimo. Mikrobiologas iš Danijos Orhuso uosto dugno surinko juodą, dvokiantį purvą, sumetė į dideles stiklines stiklines ir įdėjo specialius mikrojutiklius, kurie aptiko purvo cheminės sudėties pokyčius.

Eksperimento pradžioje kompozicija buvo prisotinta vandenilio sulfidu – nuosėdų kvapo ir spalvos šaltiniu. Tačiau po 30 dienų viena purvo juostelė pasidarė blyški, o tai rodo vandenilio sulfido praradimą. Galiausiai mikrojutikliai parodė, kad dingo visas ryšys. Atsižvelgiant į tai, ką mokslininkai žinojo apie purvo biogeochemiją, primena Nielsenas iš Orhuso universiteto, „tai nebuvo visiškai prasminga“.

Pirmasis paaiškinimas, pasak jo, buvo tas, kad jutikliai buvo neteisingi. Tačiau priežastis pasirodė kur kas keistesnė: ląsteles jungiančios bakterijos sukuria elektros laidus, kurie per purvą gali pravesti iki 5 centimetrų srovę.

Anksčiau mikrobuose nematytas prisitaikymas leidžia šioms vadinamosioms kabelių bakterijoms įveikti didelę problemą, su kuria susiduria daugelis purve gyvenančių organizmų: deguonies trūkumą. Jo nebuvimas paprastai neleidžia bakterijoms metabolizuoti maisto produktų, tokių kaip vandenilio sulfidas. Tačiau kabeliai, surišdami mikrobus su deguonies turtingomis nuosėdomis, leidžia jiems reaguoti dideliais atstumais.

Kai Nielsenas pirmą kartą aprašė atradimą 2009 m., jo kolegos buvo skeptiškai nusiteikę. Antverpeno universiteto chemijos inžinierius Philipas Meismanas prisimena galvojęs: „Tai visiška nesąmonė“. Taip, mokslininkai žinojo, kad bakterijos gali pravesti elektrą, bet ne tokiais atstumais, kokius siūlė Nielsenas. „Atrodė, tarsi mūsų pačių medžiagų apykaitos procesai galėtų paveikti 18 kilometrų atstumą“, – sako mikrobiologas Andreasas Teske iš Šiaurės Karolinos universiteto Chapel Hill.

Tačiau kuo daugiau tyrinėtojų ieškojo „įelektrinto“purvo, tuo daugiau jo rado tiek sūriame, tiek gėlame vandenyje. Jie taip pat nustatė antrąjį nešvarumus mėgstančių elektrinių mikrobų tipą: nanolaidų bakterijas, atskiras ląsteles, kurios augina baltymų struktūras, galinčias perkelti elektronus trumpesniais atstumais.

Šie nanovieliniai mikrobai randami visur, taip pat ir žmogaus burnoje

Atradimai verčia tyrinėtojus perrašyti vadovėlius; persvarstyti purvo bakterijų vaidmenį apdorojant pagrindinius elementus, tokius kaip anglis, azotas ir fosforas; ir apžvelgti, kaip jie veikia vandens ekosistemas ir klimato kaitą.

Mokslininkai taip pat ieško praktinių pritaikymų, tyrinėdami bakterijų, kuriose yra kabelių ir nanolaidų, galimybes kovoti su tarša ir maitinti elektroninius prietaisus. "Mes matome daug daugiau sąveikos tarp mikrobų ir tarp mikrobų, naudojančių elektrą", - sako Meismanas. – Aš tai vadinu elektrine biosfera.

Dauguma ląstelių klesti paimdamos elektronus iš vienos molekulės (procesas vadinamas oksidacija) ir perkeldamos juos į kitą molekulę, dažniausiai deguonį, vadinamą redukcija. Šių reakcijų metu gaunama energija valdo kitus gyvybės procesus. Eukariotinėse ląstelėse, taip pat ir mūsų pačių, tokios „redokso“reakcijos vyksta ant vidinės mitochondrijų membranos, o atstumai tarp jų yra nedideli – tik mikrometrai. Štai kodėl tiek daug tyrinėtojų skeptiškai vertino Nielseno teiginį, kad kabelių bakterijos perkelia elektronus per golfo kamuoliuko dydžio purvo sluoksnį.

Dingęs vandenilio sulfidas buvo raktas į tai įrodyti. Bakterijos sudaro junginį purve, suardydamos augalų liekanas ir kitas organines medžiagas; gilesniuose telkiniuose dėl deguonies trūkumo kaupiasi sieros vandenilis, kuris padeda kitoms bakterijoms jį suskaidyti. Tačiau vandenilio sulfidas vis tiek dingo Nielseno stiklinėse. Be to, ant nešvarumų paviršiaus atsirado rūdžių atspalvis, rodantis geležies oksido susidarymą.

Vieną naktį pabudęs Nielsenas sugalvojo keistą paaiškinimą: kas būtų, jei purve palaidotos bakterijos užbaigtų redokso reakciją, kažkaip apeidamos deguonies neturtingus sluoksnius? O kas, jei vietoj to jie naudotų gausų vandenilio sulfido kiekį kaip elektronų donorą ir tada nukreiptų elektronus link deguonies turtingo paviršiaus? Ten oksidacijos procese susidaro rūdys, jei yra geležies.

Sunku rasti, kas neša šiuos elektronus. Pirma, Nielsas Riesgaardas-Petersenas iš Nielseno komandos turėjo atmesti paprastesnę galimybę: metalo dalelės nuosėdose neša elektronus į paviršių ir sukelia oksidaciją. Jis tai padarė į purvo stulpą įterpdamas stiklo karoliukų sluoksnį, kuris nepraleidžia elektros energijos. Nepaisant šios kliūties, mokslininkai vis tiek rado per purvą judančią elektros srovę, o tai rodo, kad metalo dalelės nebuvo laidžios.

Norėdami sužinoti, ar kabelis ar laidas neša elektronus, tyrėjai panaudojo volframo laidą, kad horizontaliai įpjovė purvo koloną. Srovė užgeso, lyg būtų nupjautas laidas. Kiti darbai susiaurino laidininko dydį, o tai rodo, kad jo skersmuo turėtų būti bent 1 mikrometras. "Tai yra normalus bakterijų dydis", - sako Nielsenas.

Galiausiai elektroninės mikrografijos atskleidė galimą kandidatą: ilgus, plonus bakterijų pluoštus, atsiradusius stiklo karoliukų sluoksnyje, įterptame į stiklines, užpildytas purvu iš Orhuso uosto. Kiekvieną siūlą sudarė krūva ląstelių – iki 2000 – uždarytų briaunotoje išorinėje membranoje. Erdvėje tarp šios membranos ir viena ant kitos sukrautų ląstelių daugybė lygiagrečių „laidų“ištempė siūlą per visą jo ilgį. Kabelio išvaizda įkvėpė bendrą mikrobo pavadinimą.

Meismanas, buvęs skeptikas, greitai atsivertė. Netrukus po to, kai Nielsenas paskelbė apie savo atradimą, Meismannas nusprendė ištirti vieną iš savo jūros purvo mėginių. „Pastebėjau tuos pačius spalvos pokyčius nuosėdose, kuriuos matė jis“, – prisimena Meismanas. „Tai buvo Motinos Gamtos nurodymas, kad į tai būtų žiūrima rimčiau.

Jo komanda pradėjo kurti mikrobų tyrimo įrankius ir metodus, kartais dirbdama kartu su Nielseno grupe. Buvo sunku eiti. Bakterijų siūlai po izoliavimo linkę greitai genėti, o standartiniai elektrodai, skirti srovei matuoti mažuose laiduose, neveikia. Tačiau kai tyrėjai išmoko išskirti vieną giją ir greitai pritvirtinti atskirą elektrodą, „matėme tikrai didelį laidumą“, - sako Meismanas. Anot jo, gyvi kabeliai negali konkuruoti su variniais laidais, tačiau jie atitinka saulės kolektorių ir mobiliųjų telefonų ekranuose naudojamus laidininkus, taip pat geriausius organinius puslaidininkius.

Tyrėjai taip pat išanalizavo kabelių bakterijų anatomiją. Naudodami chemines vonias, jie izoliavo cilindrinį apvalkalą ir nustatė, kad jame yra nuo 17 iki 60 lygiagrečių pluoštų, sulipusių viduje. Korpusas yra laidumo šaltinis, praėjusiais metais žurnale „Nature Communications“pranešė Meismanas ir jo kolegos. Tiksli jo sudėtis vis dar nežinoma, tačiau ji gali būti baltymų pagrindu.

„Tai sudėtingas organizmas“, – sako Nielsenas, dabar vadovaujantis Elektromikrobiologijos centrui, kurį 2017 m. sukūrė Danijos vyriausybė. Tarp problemų, kurias sprendžia centras, yra masinė mikrobų gamyba kultūroje. „Jei turėtume gryną kultūrą, būtų daug lengviau“išbandyti idėjas apie ląstelių metabolizmą ir aplinkos poveikį laidumui, sako Andreasas Schrammas iš centro. Kultivuojamos bakterijos taip pat padės lengviau izoliuoti kabelių laidus ir išbandyti galimas bioremediacijos ir biotechnologijų programas.

Kol mokslininkai glumina kabelyje esančias bakterijas, kiti ieško dar vieno pagrindinio elektrinio purvo veikėjo: nanolaidų pagrindu veikiančios bakterijos, kurios, užuot lankstusios ląsteles į kabelius, iš kiekvienos ląstelės išaugina 20–50 nm ilgio baltyminius laidus.

Kaip ir kabelių bakterijų atveju, dėl paslaptingos cheminės nuosėdų sudėties buvo atrasti nanovieliniai mikrobai. 1987 m. mikrobiologas Derekas Lovley, dabar dirbantis Masačusetso Amhersto universitete, bandė suprasti, kaip fosfatas iš trąšų nuotekų – maistinė medžiaga, skatinanti dumblių žydėjimą – išsiskiria iš nuosėdų po Potomako upe Vašingtone, DC. dirbo ir pradėjo juos ravėti iš purvo. Užauginęs vieną, dabar vadinamą Geobacter Metallireducens, jis pastebėjo (elektroniniu mikroskopu), kad bakterijos užmezgė ryšius su netoliese esančiais geležies mineralais. Jis įtarė, kad šiais laidais buvo nešami elektronai, ir galiausiai išsiaiškino, kad Geobacter organizavo chemines reakcijas purve, oksiduodama organinius junginius ir perkeldama elektronus į mineralus. Tada šie sumažėję mineralai išskiria fosforą ir kitus elementus.

Kaip ir Nielsenas, Lovely susidūrė su skepticizmu, kai pirmą kartą apibūdino savo elektrinį mikrobą. Tačiau šiandien jis ir kiti yra užregistravę beveik tuziną nanovielinių mikrobų tipų ir aptikę juos kitoje aplinkoje nei nešvarumai. Daugelis neša elektronus į nuosėdose esančias daleles ir iš jų. Tačiau kai kurie, norėdami priimti ar saugoti elektronus, pasikliauja kitais mikrobais. Ši biologinė partnerystė leidžia abiem mikrobams „užsiimti naujomis chemijos rūšimis, kurių vienas organizmas negali padaryti“, – sako Kalifornijos technologijos instituto geobiologė Victoria Orfan. Nors kabelių bakterijos išsprendžia savo redokso poreikius, nešdamos didelius atstumus į deguonies prisotintą purvą, šie mikrobai priklauso nuo vienas kito metabolizmo, kad patenkintų redokso poreikius.

Kai kurie mokslininkai vis dar ginčijasi, kaip bakterijų nanolaideliai veda elektronus. Lovley ir jo kolegos yra įsitikinę, kad svarbiausia yra baltymų grandinės, vadinamos pilinais, kurias sudaro apskritos aminorūgštys. Kai jis ir jo kolegos sumažino žiedinių aminorūgščių kiekį pilyje, nanolaideliai tapo mažiau laidūs. „Tai buvo tikrai nuostabu“, - sako Lovely, nes visuotinai priimta, kad baltymai yra izoliatoriai. Tačiau kiti mano, kad šis klausimas toli gražu nėra išspręstas. Pavyzdžiui, Orphan sako, kad nors „yra didžiulių įrodymų… aš vis dar nemanau, kad [nano vielos laidumas] yra gerai suprantamas“.

Akivaizdu, kad elektrinių bakterijų yra visur. Pavyzdžiui, 2014 m. mokslininkai aptiko kabelių bakterijas trijose labai skirtingose buveinėse Šiaurės jūroje: potvynių ir potvynių druskų pelkėje, jūros dugno baseine, kur deguonies lygis kai kuriais sezonais nukrenta beveik iki nulio, ir užtvindytoje purvo lygumoje prie jūros. … Krantas. (Jie jų nerado smėlėtoje vietovėje, kurioje gyvena kirminai, kurie maišo nuosėdas ir ardo kabelius.) Kitur mokslininkai aptiko DNR kabelių bakterijų įrodymų giliuose, deguonies skurdžiuose vandenyno baseinuose, karštųjų versmių zonose ir šaltose sąlygose. išsiliejimai, mangrovės ir potvynių krantai tiek vidutinio klimato, tiek subtropiniuose regionuose.

Kabelių bakterijų randama ir gėlo vandens aplinkoje.2010 ir 2012 m. perskaičiusi Nielseno straipsnius, mikrobiologo Rainerio Meckenstocko vadovaujama komanda dar kartą ištyrė nuosėdų šerdis, išgręžtas atliekant požeminio vandens užterštumo tyrimą Diuseldorfe, Vokietijoje. „Mes radome [kabelių bakterijas] tiksliai ten, kur manėme, kad jas rasime“, – gylyje, kur buvo išeikvotas deguonis, – prisimena Duisburgo-Eseno universitete dirbantis Mekenstockas.

Nanowire bakterijos yra dar labiau paplitusios. Tyrėjai jų aptiko dirvožemyje, ryžių laukuose, giliuose viduriuose ir net nuotekų valymo įrenginiuose, taip pat gėlo vandens ir jūros nuosėdose. Jie gali egzistuoti visur, kur susidaro bioplėvelės, o bioplėvelių paplitimas yra dar vienas įrodymas, kad šios bakterijos gali atlikti svarbų vaidmenį gamtoje.

Didelė elektrinio dumblo bakterijų įvairovė taip pat rodo, kad jos atlieka svarbų vaidmenį ekosistemose. Pavyzdžiui, užkirsdamos kelią vandenilio sulfido kaupimuisi, kabelių bakterijos gali padaryti nešvarumus tinkamesnius kitoms gyvybės formoms. Meckenstock, Nielsen ir kiti rado juos ant jūros žolių ir kitų vandens augalų šaknų arba šalia jų, išskiriančių deguonį, kurį bakterijos tikriausiai naudoja vandenilio sulfidui skaidyti. Tai savo ruožtu apsaugo augalus nuo toksiškų dujų. Partnerystė „atrodo labai būdinga vandens augalams“, - sakė Meckenstockas.

Robertas Alleris, Stony Brook universiteto jūrų biogeochemikas, mano, kad bakterijos taip pat gali padėti daugeliui povandeninių bestuburių, įskaitant kirminus, kurie stato urvus, leidžiančius deguonies prisotintam vandeniui patekti į purvą. Jis rado kabelių bakterijų, prilipusias prie sliekinių vamzdelių šonų, tikriausiai todėl, kad jos galėtų panaudoti šį deguonį elektronams saugoti. Savo ruožtu šie kirminai yra apsaugoti nuo toksiško vandenilio sulfido. „Bakterijos padaro [urvą] patogesnį gyventi“, – sako Alleris, kuris apibūdino nuorodas 2019 m. liepos mėn. „Science Advances“straipsnyje.

Mikrobai taip pat keičia nešvarumų savybes, teigia Merilendo universiteto Aplinkos mokslų centro ekologė Saira Malkin. „Jie ypač veiksmingi… ekosistemų inžinieriai. Kabelių bakterijos „auga kaip gaisras“, – sako ji; Ji nustatė, kad ant potvynio austrių rifų viename kubiniame centimetre purvo gali būti 2859 metrai kabelių, kurie sutvirtina daleles, todėl nuosėdos gali būti atsparesnės jūrų organizmams.

Bakterijos taip pat keičia nešvarumų chemiją, todėl arčiau paviršiaus esantys sluoksniai tampa šarmingesni, o gilesni – rūgštesni, nustatė Malkinas. Tokie pH gradientai gali paveikti „daugelį geocheminių ciklų“, įskaitant tuos, kurie susiję su arsenu, manganu ir geležimi, – sakė ji, sukurdami galimybes kitiems mikrobams.

Kadangi didžiulės planetos sritys yra padengtos purvu, mokslininkai teigia, kad su kabeliais ir nanolaidais susijusios bakterijos gali turėti įtakos pasauliniam klimatui. Pavyzdžiui, nanovielinės bakterijos gali paimti elektronus iš organinių medžiagų, tokių kaip negyvos diatomės, ir perduoti juos kitoms bakterijoms, gaminančioms metaną – galingas šiltnamio efektą sukeliančias dujas. Įvairiomis aplinkybėmis kabelių bakterijos gali sumažinti metano gamybą.

Ateinančiais metais „matysime plačiai pripažintą šių mikrobų svarbą biosferai“, – sako Malkinas. Praėjus šiek tiek daugiau nei dešimčiai metų po to, kai Nielsenas pastebėjo paslaptingą vandenilio sulfido dingimą iš Orhuso purvo, jis sako: „Svaigsta pagalvoti, su kuo mes čia susiduriame“.

Kitas: telefonas, maitinamas mikrobų laidais?

Elektrinių mikrobų pradininkai greitai sugalvojo, kaip šias bakterijas panaudoti.„Dabar, kai žinome, kad evoliucija sugebėjo sukurti elektros laidus, būtų gaila, jei jų nenaudotume“, – sako Larsas Peteris Nielsenas, Orhuso universiteto mikrobiologas.

Vienas iš galimų taikymo būdų yra teršalų aptikimas ir kontrolė. Atrodo, kad kabelių mikrobai klesti esant organiniams junginiams, tokiems kaip nafta, o Nielsenas ir jo komanda tikrina galimybę, kad kabelių bakterijų gausa rodo, kad vandeninguosiuose sluoksniuose yra neatrasta tarša. Bakterijos tiesiogiai aliejaus neskaido, tačiau gali oksiduoti kitų aliejinių bakterijų gaminamą sulfidą. Jie taip pat gali padėti išvalyti; krituliai greičiau atsigauna nuo žalios naftos užteršimo, kai juos kolonizuoja kabelių bakterijos, sausio mėnesį žurnale „Water Research“pranešė kita tyrimų grupė. Ispanijoje trečioji komanda tiria, ar nanolaidų bakterijos gali pagreitinti užterštų šlapžemių valymą. Ir dar prieš tai, kai nanolaidų pagrindu pagamintos bakterijos buvo elektrinės, jos rodė pažadą nukenksminti branduolines atliekas ir vandeninguosius sluoksnius, užterštus aromatiniais angliavandeniliais, tokiais kaip benzenas ar naftalenas.

Dėl elektrinių bakterijų taip pat gali atsirasti naujų technologijų. Pasak Masačusetso universiteto (UMass), Amhersto mikrobiologo Dereko Lovley, jie gali būti genetiškai modifikuoti, kad būtų pakeisti jų nanolaideliai, kuriuos vėliau galima nupjauti ir suformuoti jautrių nešiojamųjų jutiklių stuburą. "Mes galime suprojektuoti nanolaidus ir pritaikyti juos konkrečiai surišti dominančius junginius." Pavyzdžiui, „Nano Research“gegužės 11 d. „Lovely“numeryje UMass inžinierius Jun Yao ir jų kolegos aprašė nanovielinį jutiklį, kuris nustato amoniako koncentraciją, reikalingą žemės ūkio, pramonės, aplinkosaugos ir biomedicinos reikmėms.

Sukurti kaip plėvelė, nanolaideliai gali generuoti elektrą iš oro drėgmės. Tyrėjai mano, kad plėvelė generuoja energiją, kai tarp viršutinio ir apatinio plėvelės kraštų atsiranda drėgmės gradientas. (Viršutinis kraštas jautresnis drėgmei.) Kadangi dėl gradiento atsiskiria vandenilio ir deguonies atomai, susidaro krūvis ir teka elektronai. Yao ir jo komanda vasario 17 d. žurnale „Nature“pranešė, kad tokia plėvelė galėtų sukurti pakankamai energijos šviesos diodui įžiebti, o 17 kartu sujungtų įrenginių galėtų maitinti mobilųjį telefoną. Šis metodas yra „revoliucinė atsinaujinančios, švarios ir pigios energijos gamybos technologija“, – sako Qu Lianti, Tsinghua universiteto medžiagų mokslininkas. (Kiti elgiasi atsargiau ir pažymi, kad ankstesni bandymai išspausti energiją iš drėgmės naudojant grafeną ar polimerus buvo nesėkmingi.)

Galiausiai mokslininkai tikisi panaudoti elektrinius bakterijų gebėjimus, nesusidurdami su išrankiais mikrobais. Pavyzdžiui, Catch įtikino įprastą laboratorijos ir pramonės bakteriją Escherichia coli sukurti nanolaidelius. Tai turėtų palengvinti tyrėjams masinę konstrukcijų gamybą ir jų praktinio pritaikymo tyrimą.