Záhadné baktérie vyrábajúce elektrické drôty

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Pre Larsa Petra Nielsena to všetko začalo záhadným zmiznutím sírovodíka. Mikrobiológ pozbieral čierne páchnuce bahno z dna prístavu Aarhus v Dánsku, hodil ho do veľkých sklenených kadičiek a vložil špeciálne mikrosenzory, ktoré zisťovali zmeny v chemickom zložení bahna.

Na začiatku experimentu bola kompozícia nasýtená sírovodíkom - zdrojom zápachu a farby sedimentu. Ale o 30 dní neskôr jeden pás špiny zbledol, čo naznačuje stratu sírovodíka. Nakoniec mikrosenzory ukázali, že celé spojenie bolo preč. Vzhľadom na to, čo vedci vedeli o biogeochémii bahna, spomína Nielsen z Aarhus University, "to vôbec nedávalo zmysel."

Prvým vysvetlením podľa neho bolo, že senzory boli nesprávne. Dôvod sa však ukázal byť oveľa zvláštnejší: baktérie, ktoré spájajú bunky, vytvárajú elektrické káble, ktoré môžu cez špinu viesť prúd až 5 centimetrov.

Adaptácia, ktorá u mikróbov ešte nebola, umožňuje týmto takzvaným káblovým baktériám prekonať hlavný problém, ktorému čelia mnohé organizmy žijúce v bahne: nedostatok kyslíka. Jeho absencia zvyčajne bráni baktériám metabolizovať zlúčeniny, ako je sírovodík, na potravu. Ale káble, ktoré viažu mikróby na ložiská bohaté na kyslík, im umožňujú reagovať na veľké vzdialenosti.

Keď Nielsen prvýkrát opísal objav v roku 2009, jeho kolegovia boli skeptickí. Philip Meisman, chemický inžinier na univerzite v Antverpách, si spomína, že si myslel: "Toto je úplný nezmysel." Áno, vedci vedeli, že baktérie môžu viesť elektrinu, ale nie vo vzdialenostiach, ktoré navrhol Nielsen. „Bolo to, ako keby naše vlastné metabolické procesy mohli ovplyvniť vzdialenosť 18 kilometrov,“hovorí mikrobiológ Andreas Teske z University of North Carolina v Chapel Hill.

No čím viac výskumníci hľadali „elektrifikované“bahno, tým viac ho našli v slanej aj sladkej vode. Identifikovali tiež druhý typ elektrických mikróbov milujúcich špinu: nanodrôtové baktérie, jednotlivé bunky, ktoré pestujú proteínové štruktúry, ktoré môžu presúvať elektróny na kratšie vzdialenosti.

Tieto nanovláknové mikróby sa nachádzajú všade, vrátane ľudských úst

Objavy nútia výskumníkov prepisovať učebnice; prehodnotiť úlohu bahenných baktérií pri spracovaní kľúčových prvkov, akými sú uhlík, dusík a fosfor; a preskúmať, ako ovplyvňujú vodné ekosystémy a zmenu klímy.

Vedci tiež hľadajú praktické aplikácie, pričom skúmajú potenciál baktérií obsahujúcich káble a nanodrôty na boj proti znečisteniu a na napájanie elektronických zariadení. "Vidíme oveľa viac interakcií v rámci mikróbov a medzi mikróbmi pomocou elektriny," hovorí Meisman. "Nazývam to elektrická biosféra."

Väčšina buniek prosperuje tak, že odoberá elektróny z jednej molekuly, čo je proces nazývaný oxidácia, a prenáša ich na inú molekulu, zvyčajne kyslík, nazývanú redukcia. Energia získaná týmito reakciami riadi ďalšie životné procesy. V eukaryotických bunkách, vrátane našich vlastných, sa takéto „redoxné“reakcie vyskytujú na vnútornej membráne mitochondrií a vzdialenosti medzi nimi sú nepatrné – len mikrometre. To je dôvod, prečo toľko výskumníkov bolo skeptických voči tvrdeniu Nielsen, že káblové baktérie presúvajú elektróny cez vrstvu špiny veľkosti golfovej loptičky.

Kľúčom k dokázaniu bol miznúci sírovodík. Baktérie vytvárajú v bahne zlúčeninu, ktorá rozkladá rastlinné zvyšky a iné organické materiály; v hlbších ložiskách sa v dôsledku nedostatku kyslíka hromadí sírovodík, ktorý pomáha iným baktériám rozkladať ho. V Nielsenových kadičkách však stále zmizol sírovodík. Navyše sa na povrchu špiny objavil hrdzavý odtieň, ktorý naznačoval tvorbu oxidu železa.

Raz v noci sa Nielsen zobudil so zvláštnym vysvetlením: čo ak baktérie pochované v bahne dokončili redoxnú reakciu a nejako obišli vrstvy chudobné na kyslík? Čo keby namiesto toho použili hojnú zásobu sírovodíka ako donor elektrónov a potom elektróny priviedli k povrchu bohatému na kyslík? Tam v procese oxidácie vzniká hrdza, ak je prítomné železo.

Nájdenie toho, čo nesie tieto elektróny, sa ukázalo ako ťažké. Najprv musel Niels Riesgaard-Petersen z Nielsenovho tímu vylúčiť jednoduchšiu možnosť: kovové častice v sedimente prenášajú elektróny na povrch a spôsobujú oxidáciu. Dosiahol to vložením vrstvy sklenených guľôčok, ktoré nevedú elektrinu, do stĺpa nečistôt. Napriek tejto prekážke vedci stále našli elektrický prúd pohybujúci sa bahnom, čo naznačuje, že kovové častice neboli vodivé.

Aby zistili, či kábel alebo drôt prenáša elektróny, vedci potom použili volfrámový drôt na horizontálny rez cez stĺpec bahna. Prúd vypadol, akoby bol prerezaný drôt. Iné práce zúžili veľkosť vodiča, čo naznačuje, že by mal mať priemer najmenej 1 mikrometer. "Toto je normálna veľkosť baktérií," hovorí Nielsen.

Nakoniec, elektrónové mikrofotografie odhalili pravdepodobného kandidáta: dlhé tenké bakteriálne vlákna, ktoré sa objavili vo vrstve sklenených guľôčok vložených do kadičiek naplnených bahnom z prístavu Aarhus. Každé vlákno pozostávalo zo stohu buniek - až 2 000 - uzavretých v rebrovanej vonkajšej membráne. V priestore medzi touto membránou a článkami naskladanými na seba natiahlo vlákno po celej jeho dĺžke množstvo paralelných "drôtov". Vzhľad podobný káblu inšpiroval bežný názov mikróba.

Meisman, bývalý skeptik, sa rýchlo obrátil. Krátko po tom, čo Nielsen oznámil svoj objav, sa Meismann rozhodol preskúmať jednu zo svojich vlastných vzoriek morského bahna. "Všimol som si rovnaké farebné zmeny v sedimente, aké videl on," spomína Meisman. "Bol to pokyn matky prírody brať to vážnejšie."

Jeho tím začal vyvíjať nástroje a metódy pre mikrobiálny výskum, niekedy spolupracoval s Nielsenovou skupinou. Bolo to ťažké. Bakteriálne vlákna majú tendenciu sa po izolácii rýchlo zhoršovať a štandardné elektródy na meranie prúdov v malých vodičoch nefungujú. Ale akonáhle sa vedci naučili vybrať jeden prameň a rýchlo pripojiť individuálnu elektródu, „videli sme skutočne vysokú vodivosť,“hovorí Meisman. Živé káble nemôžu konkurovať medeným drôtom, povedal, ale zodpovedajú vodičom používaným v solárnych paneloch a obrazovkách mobilných telefónov, ako aj najlepším organickým polovodičom.

Výskumníci tiež analyzovali anatómiu káblových baktérií. Pomocou chemických kúpeľov izolovali valcovú škrupinu, pričom zistili, že obsahuje 17 až 60 paralelných vlákien zlepených vo vnútri. Škrupina je zdrojom vedenia, informoval Meisman a kolegovia minulý rok v Nature Communications. Jeho presné zloženie je stále neznáme, ale môže byť na báze bielkovín.

„Je to zložitý organizmus,“hovorí Nielsen, ktorý teraz vedie Centrum pre elektro-mikrobiológiu, ktoré v roku 2017 vytvorila dánska vláda. Medzi problémy, ktoré centrum rieši, patrí masová produkcia mikróbov v kultúre. „Ak by sme mali čistú kultúru, bolo by oveľa jednoduchšie“testovať myšlienky o bunkovom metabolizme a vplyve prostredia na vodivosť, hovorí Andreas Schramm z centra. Kultivované baktérie tiež uľahčia izoláciu káblových drôtov a testovanie potenciálnych bioremediačných a biotechnologických aplikácií.

Zatiaľ čo výskumníci si lámu hlavu nad baktériami v kábli, iní sa pozerajú na ďalšieho významného hráča v oblasti elektrického bahna: baktérie na báze nanodrôtov, ktoré namiesto skladania buniek do káblov pestujú proteínové drôty s dĺžkou 20 až 50 nm z každej bunky.

Rovnako ako v prípade káblových baktérií, záhadné chemické zloženie ložísk viedlo k objavu mikróbov z nanovlákna. V roku 1987 sa mikrobiológ Derek Lovley, teraz na University of Massachusetts Amherst, pokúsil pochopiť, ako sa fosfát z odpadovej vody z hnojív – živina, ktorá podporuje kvitnutie rias – uvoľňuje zo sedimentu pod riekou Potomac vo Washingtone, DC. pracoval a začal ich odstraňovať z hliny. Po pestovaní jednej, teraz nazývanej Geobacter Metallireducens, si všimol (pod elektrónovým mikroskopom), že baktérie si vytvorili väzby s blízkymi minerálmi železa. Mal podozrenie, že elektróny sa prenášajú pozdĺž týchto drôtov, a nakoniec zistil, že Geobacter organizoval chemické reakcie v bahne, oxidoval organické zlúčeniny a prenášal elektróny na minerály. Tieto redukované minerály potom uvoľňujú fosfor a ďalšie prvky.

Rovnako ako Nielsen, aj Lovely čelil skepticizmu, keď prvýkrát opísal svoj elektrický mikrób. Dnes však on a ďalší zaregistrovali takmer tucet druhov nanodrôtových mikróbov, pričom ich našli aj v iných prostrediach ako v špine. Mnohé prenášajú elektróny do a z častíc v sedimente. Niektorí sa však spoliehajú na iné mikróby, ktoré prijímajú alebo ukladajú elektróny. Toto biologické partnerstvo umožňuje obom mikróbom „zapojiť sa do nových druhov chémie, ktoré žiadny organizmus nedokáže sám,“hovorí Victoria Orfan, geobiologička z Kalifornského technologického inštitútu. Zatiaľ čo káblové baktérie riešia svoje redoxné potreby transportom na veľké vzdialenosti do okysličeného bahna, tieto mikróby sú závislé na vzájomnom metabolizme, aby uspokojili svoje redoxné potreby.

Niektorí vedci stále diskutujú o tom, ako bakteriálne nanodrôty vedú elektróny. Lovley a jeho kolegovia sú presvedčení, že kľúčom sú reťazce proteínov nazývané pilíny, ktoré sa skladajú z kruhových aminokyselín. Keď on a jeho kolegovia znížili množstvo krúžkovaných aminokyselín v piline, nanodrôty sa stali menej vodivými. „Bolo to naozaj úžasné,“hovorí Lovely, pretože sa všeobecne uznáva, že proteíny sú izolanty. Iní si však myslia, že táto otázka nie je ani zďaleka vyriešená. Orphan napríklad hovorí, že hoci „existuje ohromujúci dôkaz… stále si nemyslím, že [vodivosť nanodrôtu] je dobre pochopená.“

Je jasné, že elektrické baktérie sú všade. Napríklad v roku 2014 vedci objavili káblové baktérie v troch veľmi odlišných biotopoch v Severnom mori: v slanom močiari prílivu, v morskom dne, kde hladiny kyslíka v niektorých ročných obdobiach klesajú takmer na nulu, a v zaplavenej bahnitej nížine pri mori. …. brehu. (Nenašli ich v piesočnatej oblasti obývanej červami, ktoré rozvíria usadeniny a prerušia káble.) Inde vedci našli dôkaz DNA o baktériách káblových káblov v hlbokých oceánskych panvách chudobných na kyslík, v oblastiach s horúcimi prameňmi a v chladných podmienkach. rozliatia a mangrovové porasty a prílivové brehy v miernych aj subtropických oblastiach.

Káblové baktérie sa nachádzajú aj v sladkovodnom prostredí. Po prečítaní Nielsenových článkov v rokoch 2010 a 2012 tím pod vedením mikrobiológa Rainera Meckenstocka opätovne preskúmal jadrá sedimentov vyvŕtané počas prieskumu kontaminácie podzemných vôd v nemeckom Düsseldorfe. „Našli sme [káblové baktérie] presne tam, kde sme si mysleli, že ich nájdeme,“v hĺbkach, kde bol vyčerpaný kyslík, spomína Mekenstock, ktorý pracuje na univerzite v Duisburgu-Essene.

Nanodrôtové baktérie sú ešte rozšírenejšie. Výskumníci ich našli v pôdach, ryžových poliach, hlbokých útrobách a dokonca aj v čističkách odpadových vôd, ako aj v sladkovodných a morských sedimentoch. Môžu existovať všade, kde sa vytvárajú biofilmy, a všadeprítomnosť biofilmov je ďalším dôkazom veľkej úlohy, ktorú tieto baktérie môžu hrať v prírode.

Široká škála baktérií elektrického kalu tiež naznačuje, že zohrávajú dôležitú úlohu v ekosystémoch. Napríklad tým, že bránia hromadeniu sírovodíka, baktérie z káblov pravdepodobne robia špinu obývateľnejšou pre iné formy života. Meckenstock, Nielsen a ďalší ich našli na alebo v blízkosti koreňov morskej trávy a iných vodných rastlín, ktoré uvoľňujú kyslík, ktorý baktérie pravdepodobne využívajú na rozklad sírovodíka. To zase chráni rastliny pred toxickým plynom. Partnerstvo "zdá sa, že je veľmi charakteristické pre vodné rastliny," povedal Meckenstock.

Robert Aller, morský biogeochemik na Stony Brook University, verí, že baktérie môžu pomôcť aj mnohým podvodným bezstavovcom, vrátane červov, ktoré si budujú nory, ktoré umožňujú okysličenej vode prenikať do bahna. Zistil, že káblové baktérie trčia po stranách šnekových trubíc, pravdepodobne preto, aby mohli použiť tento kyslík na ukladanie elektrónov. Na druhej strane sú tieto červy chránené pred toxickým sírovodíkom. „Baktérie robia [noru] obývateľnejšou,“hovorí Aller, ktorý opísal prepojenia v článku z júla 2019 v časopise Science Advances.

Mikróby tiež menia vlastnosti nečistôt, hovorí Saira Malkinová, ekologička z Centra environmentálnych vied Univerzity v Marylande. "Sú obzvlášť efektívni … ekosystémoví inžinieri." Káblové baktérie „rastú ako požiar,“hovorí; Na prílivových ustricových útesoch zistila, že jeden kubický centimeter bahna môže obsahovať 2 859 metrov káblov, ktoré upevňujú častice na miesto, čo môže spôsobiť, že sediment bude odolnejší voči morským organizmom.

Baktérie tiež menia chémiu špiny, vďaka čomu sú vrstvy bližšie k povrchu zásaditejšie a hlbšie vrstvy kyslejšie, zistil Malkin. Takéto gradienty pH môžu ovplyvniť "početné geochemické cykly", vrátane tých, ktoré sú spojené s arzénom, mangánom a železom, povedala, čo vytvára príležitosti pre iné mikróby.

Vzhľadom na to, že rozsiahle časti planéty sú pokryté bahnom, vedci tvrdia, že baktérie spojené s káblami a nanodrôtmi budú mať pravdepodobne vplyv na globálnu klímu. Nanodrôtové baktérie môžu napríklad odoberať elektróny z organických materiálov, ako sú mŕtve rozsievky, a potom ich odovzdať iným baktériám, ktoré produkujú metán, silný skleníkový plyn. Za rôznych okolností môžu baktérie káblov znížiť produkciu metánu.

V nadchádzajúcich rokoch „uvidíme široké uznanie dôležitosti týchto mikróbov pre biosféru,“hovorí Malkin. Niečo vyše desať rokov po tom, čo si Nielsen všimol záhadné zmiznutie sírovodíka z Aarhuského bahna, hovorí: "Je závratné pomyslieť na to, s čím tu máme do činenia."

Ďalej: telefón napájaný mikrobiálnymi drôtmi?

Priekopníci elektrických mikróbov sa rýchlo zamysleli nad tým, ako tieto baktérie využiť.„Teraz, keď vieme, že evolúcia dokázala vytvoriť elektrické drôty, bola by škoda, keby sme ich nepoužili,“hovorí Lars Peter Nielsen, mikrobiológ z University of Aarhus.

Jednou z možných aplikácií je detekcia a kontrola znečisťujúcich látok. Zdá sa, že káblovým mikróbom sa darí v prítomnosti organických zlúčenín, ako je ropa, a Nielsen a jeho tím testujú možnosť, že množstvo káblových baktérií signalizuje prítomnosť neobjaveného znečistenia vo vodonosných vrstvách. Baktérie nedegradujú priamo olej, ale môžu oxidovať sulfid produkovaný inými olejovými baktériami. Môžu tiež pomôcť pri čistení; zrážky sa rýchlejšie zotavujú z kontaminácie ropou, keď sú kolonizované baktériami káblov, uviedla ďalšia výskumná skupina v januári v časopise Water Research. V Španielsku tretí tím skúma, či nanodrôtové baktérie môžu urýchliť čistenie znečistených mokradí. A ešte predtým, ako boli baktérie na báze nanodrôtov elektrické, ukázali prísľub dekontaminácie jadrového odpadu a vodonosných vrstiev kontaminovaných aromatickými uhľovodíkmi, ako je benzén alebo naftalén.

Elektrické baktérie môžu tiež viesť k vzniku nových technológií. Podľa Dereka Lovleyho, mikrobiológa z University of Massachusetts (UMass), Amherst, môžu byť geneticky modifikované, aby sa zmenili ich nanodrôty, ktoré sa potom môžu odrezať, aby vytvorili chrbticu citlivých nositeľných senzorov. "Môžeme navrhnúť nanodrôty a prispôsobiť ich tak, aby špecificky viazali zlúčeniny, ktoré sú predmetom záujmu." Napríklad vo vydaní časopisu Nano Research z 11. mája opísali inžinier UMass Jun Yao a ich kolegovia senzor založený na nanovlákne, ktorý deteguje amoniak v koncentráciách potrebných pre poľnohospodárske, priemyselné, environmentálne a biomedicínske aplikácie.

Nanodrôty, vytvorené ako film, môžu generovať elektrinu z vlhkosti vo vzduchu. Výskumníci veria, že film generuje energiu, keď sa medzi horným a spodným okrajom filmu vyskytne gradient vlhkosti. (Horný okraj je náchylnejší na vlhkosť.) Keď sa atómy vodíka a kyslíka vo vode oddeľujú v dôsledku gradientu, vzniká náboj a prúdia elektróny. Yao a jeho tím informovali v Nature 17. februára, že takýto film by mohol vytvoriť dostatok energie na rozsvietenie svetelnej diódy a 17 takýchto zariadení spojených dohromady by mohlo napájať mobilný telefón. Tento prístup je „revolučnou technológiou na výrobu obnoviteľnej, čistej a lacnej energie,“hovorí Qu Lianti, materiálový vedec z univerzity Tsinghua. (Iní sú opatrnejší a poznamenávajú, že minulé pokusy vytlačiť energiu z vlhkosti pomocou grafénu alebo polymérov boli neúspešné.)

Nakoniec vedci dúfajú, že dokážu využiť elektrické schopnosti baktérií bez toho, aby sa museli vysporiadať s vyberavými mikróbmi. Catch napríklad presvedčil bežnú laboratórnu a priemyselnú baktériu Escherichia coli na výrobu nanodrôtov. To by malo výskumníkom uľahčiť masovú výrobu štruktúr a štúdium ich praktických aplikácií.