Misteriozne bakterije koje prave električne žice

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Za Larsa Petera Nielsena, sve je počelo misterioznim nestankom vodonik sulfida. Mikrobiolog je sakupio crno smrdljivo blato sa dna luke Arhus u Danskoj, bacio ga u velike staklene čaše i ubacio posebne mikrosenzore koji su detektovali promene u hemijskom sastavu mulja.

Na početku eksperimenta, kompozicija je bila zasićena sumporovodikom - izvorom mirisa i boje sedimenta. Ali 30 dana kasnije, jedna traka prljavštine je preblijedila, što ukazuje na gubitak vodonik sulfida. Na kraju su mikrosenzori pokazali da je cijela veza nestala. S obzirom na ono što su naučnici znali o biogeohemiji blata, prisjeća se Nielsen sa Univerziteta Arhus, "to uopće nije imalo smisla".

Prvo objašnjenje je, kako je rekao, da su senzori pogrešni. Ali razlog se pokazao mnogo čudnijim: bakterije koje povezuju ćelije stvaraju električne kablove koji mogu provesti struju do 5 centimetara kroz prljavštinu.

Adaptacija koja nikada ranije nije viđena kod mikroba omogućava ovim takozvanim kablovskim bakterijama da prevladaju veliki problem s kojim se suočavaju mnogi organizmi koji žive u blatu: nedostatak kisika. Njegov nedostatak obično sprečava bakterije da metaboliziraju jedinjenja kao što je sumporovodik za hranu. Ali kablovi, vezujući mikrobe za naslage bogate kiseonikom, omogućavaju im da reaguju na velikim udaljenostima.

Kada je Nielsen prvi put opisao otkriće 2009. godine, njegove kolege su bile skeptične. Philip Meisman, hemijski inženjer na Univerzitetu u Antverpenu, prisjeća se razmišljanja: "Ovo je potpuna glupost." Da, istraživači su znali da bakterije mogu provoditi struju, ali ne na udaljenostima koje je Nielsen predložio. “Kao da naši metabolički procesi mogu utjecati na udaljenost od 18 kilometara”, kaže mikrobiolog Andreas Teske sa Univerziteta Sjeverne Karoline u Chapel Hillu.

Ali što su istraživači više tražili "elektrificirano" blato, više su ga nalazili i u slanoj i u slatkoj vodi. Također su identificirali drugu vrstu električnog mikroba koji voli prljavštinu: bakterije nanožice, pojedinačne ćelije koje uzgajaju proteinske strukture koje mogu pomicati elektrone na kraće udaljenosti.

Ovi mikrobi od nanožice nalaze se posvuda, uključujući i ljudska usta

Otkrića prisiljavaju istraživače da prepišu udžbenike; preispitati ulogu bakterija blata u obradi ključnih elemenata kao što su ugljik, dušik i fosfor; i razmotriti kako oni utiču na vodene ekosisteme i klimatske promjene.

Naučnici također traže praktične primjene, istražujući potencijal bakterija koje sadrže kablove i nanožice u borbi protiv zagađenja i napajanja elektronskih uređaja. „Vidimo mnogo više interakcija unutar mikroba i između mikroba koji koriste električnu energiju“, kaže Meisman. "Ja to zovem električna biosfera."

Većina ćelija napreduje tako što uzima elektrone iz jedne molekule, proces koji se naziva oksidacija, i prenosi ih na drugu molekulu, obično kiseonik, što se naziva redukcija. Energija dobijena ovim reakcijama upravlja drugim životnim procesima. U eukariotskim ćelijama, uključujući i našu, takve "redox" reakcije se javljaju na unutrašnjoj membrani mitohondrija, a razmaci između njih su maleni - samo mikrometri. Zbog toga su mnogi istraživači bili skeptični prema Nielsenovoj tvrdnji da kablovske bakterije pomiču elektrone kroz sloj prljavštine veličine loptice za golf.

Nestanak vodonik sulfida bio je ključ za to. Bakterije stvaraju spoj u blatu, razgrađujući biljne ostatke i druge organske materijale; u dubljim naslagama se sumporovodik akumulira zbog nedostatka kiseonika, što pomaže drugim bakterijama da ga razgrade. Međutim, sumporovodik je i dalje nestao u Nielsenovim čašama. Štoviše, na površini prljavštine pojavila se hrđava nijansa, što je ukazivalo na stvaranje željeznog oksida.

Probudivši se jedne noći, Nielsen je došao do čudnog objašnjenja: šta ako bakterije zakopane u blatu dovrše redoks reakciju, nekako zaobilazeći slojeve siromašne kiseonikom? Što ako, umjesto toga, iskoriste obilje vodonik sulfida kao donora elektrona i zatim usmjere elektrone prema površini bogatoj kisikom? Tamo, u procesu oksidacije, nastaje rđa ako je prisutno željezo.

Pronalaženje onoga što nosi ove elektrone pokazalo se teškim. Prvo, Niels Riesgaard-Petersen iz Nielsenovog tima morao je isključiti jednostavniju mogućnost: metalne čestice u sedimentu nose elektrone na površinu i uzrokuju oksidaciju. On je to postigao umetanjem sloja staklenih perli koje ne provode struju u stub prljavštine. Uprkos ovoj prepreci, istraživači su ipak pronašli električnu struju koja se kreće kroz blato, što sugerira da metalne čestice nisu provodljive.

Kako bi vidjeli da li kabel ili žica nose elektrone, istraživači su zatim koristili volframovu žicu da naprave horizontalni rez kroz stub blata. Struja je nestala, kao da je žica prekinuta. Drugi radovi suzili su veličinu provodnika, sugerirajući da bi trebao biti najmanje 1 mikrometar u prečniku. "Ovo je normalna veličina bakterija", kaže Nielsen.

Na kraju, elektronski mikrosnimci su otkrili vjerovatnog kandidata: duga, tanka bakterijska vlakna koja su se pojavila u sloju staklenih perli umetnutih u čaše napunjene blatom iz luke Aarhus. Svaki filament se sastojao od hrpe ćelija - do 2.000 - zatvorenih u rebrastu vanjsku membranu. U prostoru između ove membrane i ćelija naslaganih jedna na drugu, mnoštvo paralelnih "žica" protezalo je nit cijelom svojom dužinom. Izgled nalik na kabl inspirisao je uobičajeno ime mikroba.

Meisman, bivši skeptik, brzo se preobratio. Ubrzo nakon što je Nielsen najavio svoje otkriće, Meismann je odlučio istražiti jedan od vlastitih uzoraka morskog mulja. „Primijetio sam iste promjene boje u sedimentu koje je on vidio“, prisjeća se Meisman. "Bilo je uputstvo majke prirode da to shvati ozbiljnije."

Njegov tim je počeo da razvija alate i metode za mikrobno istraživanje, ponekad radeći u saradnji sa Nielsenovom grupom. Bilo je teško. Bakterijski filamenti imaju tendenciju da se brzo pokvare nakon izolacije, a standardne elektrode za mjerenje struja u malim provodnicima ne rade. Ali kada su istraživači naučili da izaberu jedan lanac i brzo pričvrste pojedinačnu elektrodu, "vidjeli smo zaista visoku provodljivost", kaže Meisman. Kablovi pod naponom ne mogu se takmičiti sa bakrenim žicama, rekao je, ali odgovaraju provodnicima koji se koriste u solarnim panelima i ekranima mobilnih telefona, kao i najboljim organskim poluprovodnicima.

Istraživači su također analizirali anatomiju kabelskih bakterija. Koristeći hemijske kupke, izolovali su cilindričnu školjku, otkrivši da sadrži 17 do 60 paralelnih vlakana zalepljenih unutra. Školjka je izvor provodljivosti, izvijestili su Meisman i kolege prošle godine u Nature Communications. Njegov tačan sastav je još uvijek nepoznat, ali može biti na bazi proteina.

„To je složen organizam“, kaže Nielsen, koji sada vodi Centar za elektro-mikrobiologiju, koji je 2017. godine osnovala danska vlada. Među problemima koje centar rješava je masovna proizvodnja mikroba u kulturi. "Da imamo čistu kulturu, bilo bi mnogo lakše" testirati ideje o ćelijskom metabolizmu i uticaju okoline na provodljivost, kaže Andreas Schramm iz centra. Uzgojne bakterije će također olakšati izolaciju kabelskih žica i testiranje potencijalnih bioremedijacijskih i biotehnoloških aplikacija.

Dok se istraživači zbunjuju oko bakterija u kablu, drugi gledaju na drugog velikog igrača u električnom blatu: bakterije zasnovane na nanožici koje, umjesto da presavijaju ćelije u kablove, uzgajaju proteinske žice dužine 20 do 50 nm iz svake ćelije.

Kao i kod kablovskih bakterija, misteriozni hemijski sastav naslaga doveo je do otkrića mikroba nanožica. Godine 1987, mikrobiolog Derek Lovley, sada na Univerzitetu Massachusetts Amherst, pokušao je razumjeti kako se fosfat iz otpadnih voda gnojiva - nutrijent koji potiče cvjetanje algi - oslobađa iz sedimenta ispod rijeke Potomac u Washingtonu, DC. radio i počeo da ih vadi iz zemlje. Nakon uzgoja jednog, koji se sada zove Geobacter Metallireducens, primijetio je (pod elektronskim mikroskopom) da su bakterije stvorile veze sa obližnjim mineralima željeza. Sumnjao je da se elektroni prenose duž ovih žica i na kraju je shvatio da je Geobacter orkestrirao hemijske reakcije u blatu, oksidirajući organska jedinjenja i prenoseći elektrone u minerale. Ovi smanjeni minerali zatim oslobađaju fosfor i druge elemente.

Kao i Nielsen, Lovely se suočio sa skepticizmom kada je prvi put opisao svoj električni mikrob. Danas su, međutim, on i drugi registrovali skoro desetak vrsta mikroba nanožica, nalazeći ih u okruženjima koja nisu prljavština. Mnogi prenose elektrone do i od čestica u sedimentu. Ali neki se oslanjaju na druge mikrobe za primanje ili skladištenje elektrona. Ovo biološko partnerstvo omogućava oba mikroba da se "uključuju u nove vrste hemije koju nijedan organizam ne može uraditi sam", kaže Viktorija Orfan, geobiologinja sa Kalifornijskog tehnološkog instituta. Dok kabelske bakterije rješavaju svoje redoks potrebe tako što se transportuju na velike udaljenosti u oksigenirano blato, ovi mikrobi ovise o međusobnom metabolizmu kako bi zadovoljili svoje redoks potrebe.

Neki istraživači još uvijek raspravljaju o tome kako bakterijske nanožice provode elektrone, a Lovley i njegove kolege uvjereni su da su ključni lanci proteina zvani pilini, koji se sastoje od kružnih aminokiselina. Kada su on i njegove kolege smanjili količinu prstenastih aminokiselina u pilinu, nanožice su postale manje provodljive. „Bilo je zaista neverovatno“, kaže Lavli, jer je opšte prihvaćeno da su proteini izolatori. Ali drugi misle da je ovo pitanje daleko od rješenja. Orphan, na primjer, kaže da, iako "postoji neodoljiv dokaz… još uvijek mislim da [provodljivost nanožice] nije dobro shvaćena."

Ono što je jasno je da su električne bakterije posvuda. 2014. godine, na primjer, naučnici su otkrili kablovske bakterije u tri vrlo različita staništa u Sjevernom moru: u močvari slane plime, u bazenu morskog dna gdje se nivoi kiseonika spuštaju na gotovo nulu u nekim godišnjim dobima i u poplavljenoj blatnjavoj ravnici u blizini mora … obala. (Nisu ih pronašli u pješčanom području naseljenom crvima koji stvaraju sedimente i prekidaju kablove.) Na drugim mjestima, istraživači su pronašli DNK dokaze kablovskih bakterija u dubokim okeanskim bazenima siromašnim kisikom, toplim izvorima i hladnim uvjetima. izlijevanja, mangrove i plimne obale u umjerenim i suptropskim regijama.

Kabelske bakterije se također nalaze u slatkovodnim sredinama. Nakon čitanja Nielsenovih članaka 2010. i 2012. godine, tim predvođen mikrobiologom Rainerom Meckenstockom ponovo je ispitao jezgra sedimenta izbušena tokom istraživanja kontaminacije podzemnih voda u Dizeldorfu, Njemačka. "Pronašli smo [kabelske bakterije] tačno tamo gdje smo mislili da ćemo ih pronaći", na dubinama gdje je kiseonik bio iscrpljen, prisjeća se Mekenstock, koji radi na Univerzitetu Duisburg-Essen.

Nanowire bakterije su još raširenije. Istraživači su ih pronašli u zemljištu, poljima riže, dubokim crijevima, pa čak i postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda, kao iu slatkovodnim i morskim sedimentima. Mogu postojati gdje god se formiraju biofilmi, a sveprisutnost biofilma je daljnji dokaz velike uloge koju ove bakterije mogu imati u prirodi.

Širok izbor električnih bakterija mulja također sugerira da one igraju važnu ulogu u ekosistemima. Na primjer, sprečavajući nakupljanje vodonik sulfida, bakterije iz kablova vjerovatno čine prljavštinu pogodnijom za život drugim oblicima života. Meckenstock, Nielsen i drugi su ih pronašli na ili blizu korijena morske trave i drugih vodenih biljaka koje oslobađaju kisik, koji bakterije vjerojatno koriste za razlaganje sumporovodika. Ovo zauzvrat štiti biljke od otrovnog plina. Partnerstvo "čini se vrlo karakterističnim za vodene biljke", rekao je Meckenstock.

Robert Aller, morski biogeohemičar sa Univerziteta Stony Brook, vjeruje da bakterije mogu pomoći i mnogim podvodnim beskičmenjacima, uključujući crve koji grade jazbine koje omogućavaju oksigeniranoj vodi da uđe u blato. Pronašao je kablovske bakterije koje vire po stranama cijevi crva, vjerojatno da bi mogle koristiti ovaj kisik za skladištenje elektrona. Zauzvrat, ovi crvi su zaštićeni od toksičnog sumporovodika. „Bakterije čine [rupu] pogodnijom za život“, kaže Aller, koji je opisao veze u članku u časopisu Science Advances iz jula 2019.

Mikrobi takođe menjaju svojstva prljavštine, kaže Saira Malkin, ekolog sa Centra za nauke o životnoj sredini Univerziteta Merilend. "Oni su posebno efikasni … inženjeri ekosistema." Kabelske bakterije „rastu kao požar“, kaže ona; Na grebenima kamenica s plimom, otkrila je, jedan kubni centimetar blata može sadržavati 2.859 metara kablova koji cementiraju čestice na mjestu, što možda čini sediment otpornijim na morske organizme.

Bakterije također mijenjaju hemiju prljavštine, čineći slojeve bliže površini alkalnim, a dublje slojeve kiselijim, otkrio je Malkin. Takvi pH gradijenti mogu utjecati na "brojne geohemijske cikluse", uključujući one povezane s arsenom, manganom i željezom, rekla je, stvarajući mogućnosti za druge mikrobe.

Budući da su ogromni dijelovi planete prekriveni blatom, kažu istraživači, bakterije povezane s kablovima i nanožicama vjerovatno će utjecati na globalnu klimu. Nanowire bakterije, na primjer, mogu uzeti elektrone iz organskih materijala poput mrtvih dijatomeja, a zatim ih prenijeti na druge bakterije koje proizvode metan, snažan staklenički plin. U različitim okolnostima, kabelske bakterije mogu smanjiti proizvodnju metana.

U narednim godinama, „videćemo široko rasprostranjeno priznanje važnosti ovih mikroba za biosferu“, kaže Malkin. Nešto više od deset godina nakon što je Nielsen primijetio misteriozni nestanak vodonik-sulfida iz Arhuskog mulja, kaže: "Vrtoglavo je razmišljati o tome s čime imamo posla."

Sljedeće: telefon koji se napaja mikrobnim žicama?

Pioniri električnih mikroba brzo su razmišljali o tome kako da koriste ove bakterije.“Sada kada znamo da je evolucija uspjela stvoriti električne žice, bila bi šteta da ih ne koristimo,” kaže Lars Peter Nielsen, mikrobiolog sa Univerziteta u Arhusu.

Jedna moguća primjena je detekcija i kontrola zagađivača. Čini se da kabelski mikrobi napreduju u prisustvu organskih spojeva poput nafte, a Nielsen i njegov tim testiraju mogućnost da obilje kablovskih bakterija signalizira prisustvo neotkrivenog zagađenja u vodonosnicima. Bakterije ne razgrađuju direktno ulje, ali mogu oksidirati sulfid koji proizvode druge uljne bakterije. Oni također mogu pomoći u čišćenju; padavine se brže oporavljaju od kontaminacije sirovom naftom kada je koloniziraju kablovske bakterije, objavila je druga istraživačka grupa u januaru u časopisu Water Research. U Španiji, treći tim istražuje mogu li bakterije nanožice ubrzati čišćenje zagađenih močvara. Čak i prije nego što su bakterije zasnovane na nanožici postale električne, pokazale su obećanje da će dekontaminirati nuklearni otpad i vodonosne slojeve kontaminirane aromatičnim ugljovodonicima kao što su benzol ili naftalen.

Električne bakterije također mogu dovesti do novih tehnologija. Oni se mogu genetski modificirati kako bi se promijenile njihove nanožice, koje se zatim mogu odsjeći kako bi formirale okosnicu osjetljivih nosivih senzora, kaže Derek Lovley, mikrobiolog sa Univerziteta Massachusetts (UMass), Amherst. "Možemo dizajnirati nanožice i prilagoditi ih da specifično vežu spojeve od interesa." Na primjer, u izdanju časopisa Nano Research od 11. maja Lovely, UMass inženjer Jun Yao i njihove kolege opisali su senzor baziran na nanožici koji detektuje amonijak u koncentracijama potrebnim za poljoprivredne, industrijske, ekološke i biomedicinske primjene.

Stvorene kao film, nanožice mogu generirati električnu energiju iz vlage u zraku. Istraživači vjeruju da film stvara energiju kada se gradijent vlage pojavi između gornjeg i donjeg ruba filma. (Gornja ivica je osjetljivija na vlagu.) Kako se atomi vodonika i kisika u vodi razdvajaju zbog gradijenta, stvara se naboj i elektroni teku. Yao i njegov tim izvijestili su u Nature 17. februara da bi takav film mogao stvoriti dovoljno energije da upali diodu koja emituje svjetlost, a 17 takvih uređaja povezanih zajedno moglo bi napajati mobilni telefon. Pristup je „revolucionarna tehnologija za proizvodnju obnovljive, čiste i jeftine energije“, kaže Qu Lianti, naučnik o materijalima na Univerzitetu Tsinghua. (Drugi su oprezniji, ističući da su prošli pokušaji da se energija istisne iz vlage pomoću grafena ili polimera bili neuspješni.)

Konačno, istraživači se nadaju da će iskoristiti električne sposobnosti bakterija bez potrebe da se bave izbirljivim mikrobima. Catch je, na primjer, uvjerio uobičajenu laboratorijsku i industrijsku bakteriju Escherichia coli da napravi nanožice. To bi istraživačima trebalo olakšati masovnu proizvodnju struktura i proučavanje njihove praktične primjene.