Мистериозни бактерии, които правят електрически проводници

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

За Ларс Питър Нилсен всичко започна с мистериозното изчезване на сероводорода. Микробиологът събра черната миризлива кал от дъното на пристанището на Орхус в Дания, хвърли я в големи стъклени чаши и постави специални микросензори, които откриха промени в химическия състав на калта.

В началото на експеримента съставът е наситен със сероводород - източникът на миризмата и цвета на утайката. Но 30 дни по-късно една ивица мръсотия побледня, което показва загубата на сероводород. В крайна сметка микросензорите показаха, че цялата връзка е изчезнала. Като се има предвид това, което учените знаеха за биогеохимията на калта, припомня Нилсен от университета в Орхус, „въобще нямаше смисъл“.

Първото обяснение, каза той, е, че сензорите са сгрешили. Но причината се оказа много по-странна: бактериите, които свързват клетките, създават електрически кабели, които могат да провеждат ток до 5 сантиметра през мръсотията.

Невиждана досега адаптация в микробите позволява на тези така наречени кабелни бактерии да преодолеят основен проблем, пред който са изправени много организми, живеещи в кал: липсата на кислород. Неговото отсъствие обикновено предпазва бактериите от метаболизиране на съединения като сероводород за храна. Но кабелите, като свързват микробите с богати на кислород отлагания, им позволяват да реагират на дълги разстояния.

Когато Нилсен за първи път описва откритието през 2009 г., колегите му бяха скептични. Филип Мейсман, инженер-химик от университета в Антверпен, си спомня, че е мислил: „Това е пълна глупост“. Да, изследователите знаеха, че бактериите могат да провеждат електричество, но не на разстоянията, предложени от Нилсен. „Сякаш нашите собствени метаболитни процеси биха могли да повлияят на разстояние от 18 километра“, казва микробиологът Андреас Теске от Университета на Северна Каролина в Чапъл Хил.

Но колкото повече изследователите са търсили "електрифицирана" кал, толкова повече са я намирали както в солена, така и в прясна вода. Те също така идентифицираха втори тип електрически микроби, които обичат мръсотията: нанопроводни бактерии, отделни клетки, които развиват протеинови структури, които могат да преместват електрони на по-къси разстояния.

Тези микроби от нанопровод се срещат навсякъде, включително в човешката уста

Откритията принуждават изследователите да пренаписват учебниците; преосмислят ролята на калните бактерии в обработката на ключови елементи като въглерод, азот и фосфор; и преглед на начина, по който те засягат водните екосистеми и изменението на климата.

Учените също търсят практически приложения, като изследват потенциала на бактериите, съдържащи кабели и нанопроводници, за борба със замърсяването и захранване на електронни устройства. „Виждаме много повече взаимодействия в микробите и между микробите, използващи електричество“, казва Мейсман. - Наричам го електрическа биосфера.

Повечето клетки процъфтяват, като вземат електрони от една молекула, процес, наречен окисление, и ги прехвърлят към друга молекула, обикновено кислород, наречена редукция. Енергията, получена от тези реакции, управлява други жизнени процеси. В еукариотните клетки, включително нашите собствени, подобни „редокс“реакции се случват върху вътрешната мембрана на митохондриите, а разстоянията между тях са малки – само микрометри. Ето защо толкова много изследователи бяха скептични относно твърдението на Nielsen, че кабелните бактерии преместват електрони през слой мръсотия с размерите на топка за голф.

Изчезването на сероводород беше ключът към доказването на това. Бактериите образуват съединение в калта, разграждайки растителни остатъци и други органични материали; в по-дълбоки отлагания се натрупва сероводород поради липса на кислород, което помага на други бактерии да го разграждат. Въпреки това, сероводородът все още изчезва в чашите на Nielsen. Освен това на повърхността на мръсотията се появи ръждив оттенък, което показва образуването на железен оксид.

Събуждайки се една нощ, Нилсен излезе със странно обяснение: ами ако бактериите, заровени в калта, завършат редокс реакцията, заобикаляйки по някакъв начин бедните на кислород слоеве? Ами ако вместо това използват изобилното снабдяване с сероводород като донор на електрони и след това насочат електроните към богатата на кислород повърхност? Там в процеса на окисление се образува ръжда, ако присъства желязо.

Намирането на това, което носи тези електрони, се оказа трудно. Първо, Niels Riesgaard-Petersen от екипа на Nielsen трябваше да изключи по-проста възможност: металните частици в утайката пренасят електрони на повърхността и причиняват окисляване. Той постигна това, като постави слой от стъклени перли, които не провеждат електричество, в стълб от мръсотия. Въпреки това препятствие изследователите все пак откриха електрически ток, движещ се през калта, което предполага, че металните частици не са проводими.

За да видят дали кабел или проводник пренася електрони, изследователите след това използваха волфрамова тел, за да направят хоризонтален разрез през калната колона. Токът угасна, сякаш е прерязан проводник. Друга работа стеснява размера на проводника, което предполага, че той трябва да бъде най-малко 1 микрометър в диаметър. „Това е нормалният размер на бактериите“, казва Нилсен.

В крайна сметка електронните микрографии разкриха вероятен кандидат: дълги, тънки бактериални влакна, които се появиха в слой от стъклени перли, поставени в чаши, пълни с кал от пристанището Орхус. Всяка нишка се състоеше от купчина клетки - до 2000 - затворени в оребрена външна мембрана. В пространството между тази мембрана и клетките, подредени една върху друга, множество успоредни "жици" опъват нишката по цялата й дължина. Външният вид, подобен на кабел, вдъхнови общото име на микроба.

Мейсман, бивш скептик, бързо беше обърнат. Малко след като Нилсен обяви своето откритие, Мейсман решава да проучи една от собствените си проби от морска кал. „Забелязах същите промени в цвета в утайката, които той видя“, спомня си Мейсман. "Това беше указанието на майката природа да го вземе по-сериозно."

Неговият екип започва да разработва инструменти и методи за изследване на микроби, като понякога работи съвместно с групата на Nielsen. Беше трудно. Бактериалните нишки са склонни да се развалят бързо след изолиране, а стандартните електроди за измерване на токове в малки проводници не работят. Но след като изследователите се научиха да избират една нишка и бързо да прикрепят отделен електрод, „видяхме наистина висока проводимост“, казва Мейсман. Той каза, че кабелите под напрежение не могат да се конкурират с медните проводници, но съвпадат с проводниците, използвани в слънчевите панели и екраните на мобилни телефони, както и с най-добрите органични полупроводници.

Изследователите анализираха и анатомията на кабелните бактерии. Използвайки химически вани, те изолират цилиндричната обвивка, като откриват, че тя съдържа 17 до 60 успоредни влакна, залепени заедно. Черупката е източникът на проводимост, съобщиха Мейсман и колегите миналата година в Nature Communications. Точният му състав все още не е известен, но може да е на протеинова основа.

„Това е сложен организъм“, казва Нилсен, който сега оглавява Центъра за електро-микробиология, създаден през 2017 г. от датското правителство. Сред проблемите, които центърът решава, е масовото производство на микроби в културата. „Ако имахме чиста култура, би било много по-лесно“да тестваме идеите за клетъчния метаболизъм и ефекта на околната среда върху проводимостта, казва Андреас Шрам от центъра. Култивираните бактерии също така ще улеснят изолирането на кабелните проводници и ще тестват потенциални приложения за биоремедиация и биотехнологии.

Докато изследователите озадачават бактериите в кабела, други търсят друг основен играч в електрическата кал: бактерии на базата на наножици, които вместо да сгъват клетките в кабели, отглеждат протеинови проводници с дължина от 20 до 50 nm от всяка клетка.

Както при кабелните бактерии, мистериозният химичен състав на отлаганията доведе до откриването на микроби от нанопровод. През 1987 г. микробиологът Дерек Ловли, сега от Университета на Масачузетс Амхърст, се опита да разбере как фосфатът от отпадъчните води от торове - хранително вещество, което насърчава цъфтежа на водораслите - се освобождава от утайката под река Потомак във Вашингтон, окръг Колумбия. работи и започна да ги плеви от пръстта. След като отглежда един, сега наречен Geobacter Metallireducens, той забеляза (под електронен микроскоп), че бактериите са развили връзки с близките железни минерали. Той подозираше, че по тези проводници се пренасят електрони и в крайна сметка разбра, че Geobacter организира химични реакции в калта, окисляване на органични съединения и прехвърляне на електрони към минерали. След това тези редуцирани минерали освобождават фосфор и други елементи.

Подобно на Nielsen, Lovely се сблъсква със скептицизъм, когато за първи път описва своя електрически микроб. Днес обаче той и други са регистрирали близо дузина вида микроби от нанопроводници, намирайки ги в среди, различни от мръсотия. Много от тях пренасят електрони към и от частици в утайката. Но някои разчитат на други микроби, за да приемат или съхраняват електрони. Това биологично партньорство позволява и на двата микроба да се "включат в нови видове химия, които никой организъм не може да направи сам", казва Виктория Орфан, геобиолог от Калифорнийския технологичен институт. Докато кабелните бактерии решават своите окислително-редукционни нужди, като се транспортират на дълги разстояния в кислородна кал, тези микроби зависят от метаболизма на другия, за да задоволят своите редокс нужди.

Някои изследователи все още спорят как бактериалните нанопроводници провеждат електрони. Ловли и колегите му са убедени, че ключовите са вериги от протеини, наречени пилини, които са изградени от кръгови аминокиселини. Когато той и колегите му намалиха количеството на пръстеновидните аминокиселини в пилина, нанопроводниците станаха по-малко проводими. „Беше наистина невероятно“, казва Лавли, защото е общоприето, че протеините са изолатори. Но други смятат, че този въпрос далеч не е решен. Орфан, например, казва, че въпреки че „има огромни доказателства… все още не мисля, че [проводимостта на нанопроводника] е добре разбрана“.

Това, което е ясно, е, че електрическите бактерии са навсякъде. През 2014 г., например, учени откриха кабелни бактерии в три много различни местообитания в Северно море: в приливно солено блато, в басейн на морското дъно, където нивата на кислород падат почти до нула през някои сезони, и в наводнена кална равнина близо до морето …. бряг. (Те не са ги открили в пясъчна зона, обитавана от червеи, които разбиват седименти и прекъсват кабелите.) На други места изследователите са открили ДНК доказателства за кабелни бактерии в дълбоки, бедни на кислород океански басейни, зони с горещи извори и студени условия. разливи, мангрови гори и приливни брегове както в умерените, така и в субтропичните региони.

Кабелните бактерии се срещат и в сладководни среди. След като прочете статиите на Nielsen през 2010 и 2012 г., екип, ръководен от микробиолога Райнер Мекенсток, преразгледа седиментните ядра, пробити по време на проучване на замърсяването на подпочвените води в Дюселдорф, Германия. „Открихме [кабелните бактерии] точно там, където мислехме, че ще ги намерим“, на дълбочини, където кислородът беше изчерпан, спомня си Мекенсток, който работи в университета в Дуисбург-Есен.

Бактериите от Nanowire са още по-разпространени. Изследователите са ги открили в почви, оризови полета, дълбоки недра и дори пречиствателни станции, както и в сладководни и морски седименти. Те могат да съществуват навсякъде, където се образуват биофилми, а повсеместното разпространение на биофилмите е допълнително доказателство за голямата роля, която тези бактерии могат да играят в природата.

Голямото разнообразие от електрически утаечни бактерии също предполага, че те играят важна роля в екосистемите. Например, предотвратявайки натрупването на сероводород, кабелните бактерии вероятно правят мръсотията по-обитаема за други форми на живот. Meckenstock, Nielsen и други са ги открили на или близо до корените на морска трева и други водни растения, които отделят кислород, който бактериите вероятно използват за разграждане на сероводород. Това от своя страна предпазва растенията от токсичния газ. Партньорството „изглежда много характерно за водните растения“, каза Мекенсток.

Робърт Алер, морски биогеохимик от университета Стоуни Брук, вярва, че бактериите също могат да помогнат на много подводни безгръбначни, включително червеи, които изграждат дупки, които позволяват на кислородна вода да навлезе в калта. Той откри кабелни бактерии, стърчащи по стените на тръбите с червеи, вероятно за да могат да използват този кислород за съхраняване на електрони. От своя страна тези червеи са защитени от токсичен сероводород. „Бактериите правят [нората] по-пригодна за живеене“, казва Алър, който описва връзките в статия от юли 2019 г. в Science Advances.

Микробите също променят свойствата на мръсотията, казва Сайра Малкин, еколог от Центъра за науки за околната среда на Университета на Мериленд. "Те са особено ефективни… инженери по екосистеми." Кабелните бактерии „растат като горски пожар“, казва тя; На приливните рифове от стриди тя установи, че един кубичен сантиметър кал може да съдържа 2859 метра кабели, които циментират частиците на място, което вероятно прави утайката по-устойчива на морски организми.

Бактериите също така променят химията на мръсотията, правейки слоевете по-близо до повърхността по-алкални и по-дълбоките слоеве по-киселинни, установи Малкин. Такива градиенти на рН могат да повлияят на „многобройни геохимични цикли“, включително тези, свързани с арсен, манган и желязо, каза тя, създавайки възможности за други микроби.

Тъй като огромни части от планетата са покрити с кал, казват изследователите, бактериите, свързани с кабели и нанопроводници, вероятно ще окажат влияние върху глобалния климат. Бактериите от Nanowire, например, могат да вземат електрони от органични материали като мъртви диатоми и след това да ги предадат на други бактерии, които произвеждат метан, мощен парников газ. При различни обстоятелства кабелните бактерии могат да намалят производството на метан.

През следващите години „ще видим широко разпространено признание за значението на тези микроби за биосферата“, казва Малкин. Малко повече от десет години след като Нилсен забеляза мистериозното изчезване на сероводород от орхуската кал, той казва: „Замайващо е да се замисля с какво си имаме работа тук“.

Следва: телефон, захранван от микробни проводници?

Пионерите на електрическите микроби бързо се замислиха как да използват тези бактерии.„Сега, когато знаем, че еволюцията е успяла да създаде електрически проводници, би било жалко, ако не ги използваме“, казва Ларс Питър Нилсен, микробиолог от университета в Орхус.

Едно възможно приложение е откриването и контрола на замърсители. Кабелните микроби изглежда процъфтяват в присъствието на органични съединения като петрол и Нилсен и неговият екип тестват възможността изобилието от кабелни бактерии да сигнализира за наличието на неоткрито замърсяване във водоносните хоризонти. Бактериите не разграждат директно маслото, но могат да окислят сулфида, произведен от други мазни бактерии. Те също могат да помогнат за почистването; валежите се възстановяват по-бързо от замърсяването със суров петрол, когато се колонизира от кабелни бактерии, съобщи друга изследователска група през януари в списание Water Research. В Испания трети екип проучва дали бактериите от нанопроводи могат да ускорят почистването на замърсените влажни зони. И дори преди бактериите, базирани на нанопровод, да станат електрически, те показаха обещанието за обеззаразяване на ядрени отпадъци и водоносни хоризонти, замърсени с ароматни въглеводороди като бензол или нафталин.

Електрическите бактерии също могат да доведат до нови технологии. Те могат да бъдат генетично модифицирани, за да променят своите нанопроводници, които след това могат да бъдат отрязани, за да образуват гръбнака на чувствителните сензори за носене, според Дерек Ловли, микробиолог от Университета на Масачузетс (UMass), Амхърст. "Можем да проектираме нанопроводници и да ги адаптираме, за да свързват специфично съединения, представляващи интерес." Например, в изданието Lovely на Nano Research от 11 май, инженерът от UMass Джун Яо и техните колеги описаха сензор, базиран на нанопровод, който открива амоняк в концентрации, необходими за селскостопански, промишлени, екологични и биомедицински приложения.

Създадени като филм, нанопроводниците могат да генерират електричество от влагата във въздуха. Изследователите вярват, че филмът генерира енергия, когато се появи градиент на влага между горния и долния ръб на филма. (Горният ръб е по-податлив на влага.) Тъй като водородните и кислородните атоми на водата се разделят поради градиента, се генерира заряд и се движат електрони. Яо и неговият екип съобщиха в Nature на 17 февруари, че такъв филм може да създаде достатъчно енергия, за да запали диод, излъчващ светлина, а 17 такива устройства, свързани заедно, могат да захранват мобилен телефон. Подходът е „революционна технология за генериране на възобновяема, чиста и евтина енергия“, казва Ку Лианти, учен по материали от университета Цинхуа. (Други са по-предпазливи, отбелязвайки, че предишни опити за изтласкване на енергия от влага с помощта на графен или полимери са били неуспешни.)

В крайна сметка изследователите се надяват да използват електрическите способности на бактериите, без да се налага да се справят с придирчивите микроби. Кейч, например, убеди обикновената лабораторна и индустриална бактерия Escherichia coli да направи нанопроводници. Това трябва да улесни изследователите при масовото производство на структурите и изучаването на техните практически приложения.