Tajemnicze bakterie wytwarzające przewody elektryczne

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Dla Larsa Petera Nielsena wszystko zaczęło się od tajemniczego zniknięcia siarkowodoru. Mikrobiolog zebrał czarne, śmierdzące błoto z dna portu Aarhus w Danii, wrzucił je do dużych szklanych zlewek i wstawił specjalne mikroczujniki, które wykrywały zmiany w składzie chemicznym błota.

Na początku eksperymentu kompozycję nasycono siarkowodorem – źródłem zapachu i barwy osadu. Ale 30 dni później jeden pasek brudu zbladł, co wskazuje na utratę siarkowodoru. W końcu mikroczujniki wykazały, że całe połączenie zniknęło. Biorąc pod uwagę to, co naukowcy wiedzieli o biogeochemii błota, wspomina Nielsen z Uniwersytetu w Aarhus, „to w ogóle nie miało sensu”.

Powiedział, że pierwszym wyjaśnieniem było to, że czujniki były błędne. Powód okazał się jednak znacznie dziwniejszy: bakterie łączące komórki tworzą kable elektryczne, które mogą przewodzić prąd do 5 centymetrów przez brud.

Adaptacja, której nigdy wcześniej nie widziano u drobnoustrojów, pozwala tym tak zwanym bakteriom kablowym przezwyciężyć główny problem, z którym boryka się wiele organizmów żyjących w błocie: brak tlenu. Jego brak zwykle powstrzymuje bakterie przed metabolizowaniem związków, takich jak siarkowodór w pożywieniu. Ale kable, wiążąc drobnoustroje z osadami bogatymi w tlen, pozwalają im reagować na duże odległości.

Kiedy Nielsen po raz pierwszy opisał odkrycie w 2009 roku, jego koledzy byli sceptyczni. Philip Meisman, inżynier chemik z Uniwersytetu w Antwerpii, wspomina myślenie: „To kompletny nonsens”. Tak, naukowcy wiedzieli, że bakterie mogą przewodzić prąd, ale nie w odległościach sugerowanych przez Nielsena. „To było tak, jakby nasze własne procesy metaboliczne mogły wpływać na odległość 18 kilometrów” – mówi mikrobiolog Andreas Teske z University of North Carolina w Chapel Hill.

Ale im więcej badacze szukali „naelektryzowanego” błota, tym więcej znajdowali go zarówno w słonej, jak i słodkiej wodzie. Zidentyfikowali również drugi rodzaj drobnoustrojów elektrycznych kochających brud: bakterie nanoprzewodowe, pojedyncze komórki, które rozwijają struktury białkowe, które mogą przenosić elektrony na krótsze odległości.

Te mikroby z nanoprzewodów można znaleźć wszędzie, w tym w jamie ustnej człowieka

Odkrycia zmuszają badaczy do przepisywania podręczników; przemyśleć rolę bakterii błotnych w przetwarzaniu kluczowych pierwiastków, takich jak węgiel, azot i fosfor; i przeanalizuj, jak wpływają na ekosystemy wodne i zmianę klimatu.

Naukowcy poszukują również praktycznych zastosowań, badając potencjał bakterii zawierających kable i nanoprzewody do zwalczania zanieczyszczeń i urządzeń energoelektronicznych. „Obserwujemy znacznie więcej interakcji wewnątrz mikrobów i między mikrobami wykorzystującymi energię elektryczną” – mówi Meisman. „Nazywam to biosferą elektryczną”.

Większość komórek rozwija się, pobierając elektrony z jednej cząsteczki w procesie zwanym utlenianiem i przenosząc je do innej cząsteczki, zwykle tlenu, zwanej redukcją. Energia uzyskana z tych reakcji reguluje inne procesy życiowe. W komórkach eukariotycznych, w tym naszych własnych, takie reakcje „redoks” zachodzą na wewnętrznej błonie mitochondriów, a odległości między nimi są niewielkie – tylko mikrometry. To dlatego tak wielu badaczy było sceptycznie nastawionych do twierdzenia Nielsena, że bakterie kablowe przenoszą elektrony przez warstwę brudu wielkości piłki golfowej.

Kluczem do udowodnienia tego był znikający siarkowodór. Bakterie tworzą związek w błocie, rozkładając szczątki roślin i inne materiały organiczne; w głębszych osadach siarkowodór gromadzi się z powodu braku tlenu, co pomaga innym bakteriom go rozkładać. Jednak siarkowodór nadal zniknął w zlewkach Nielsena. Ponadto na powierzchni brudu pojawił się rdzawy odcień, który wskazywał na powstawanie tlenku żelaza.

Budząc się pewnej nocy, Nielsen wymyślił dziwne wyjaśnienie: co by było, gdyby zakopane w błocie bakterie zakończyły reakcję redoks, w jakiś sposób omijając warstwy ubogie w tlen? Co by się stało, gdyby zamiast tego wykorzystali obfite zasoby siarkowodoru jako donora elektronów, a następnie skierowali elektrony w kierunku powierzchni bogatej w tlen? Tam, w procesie utleniania, powstaje rdza, jeśli obecne jest żelazo.

Znalezienie tego, co przenosi te elektrony, okazało się trudne. Po pierwsze, Niels Riesgaard-Petersen z zespołu Nielsena musiał wykluczyć prostszą możliwość: cząsteczki metalu w osadzie przenoszą elektrony na powierzchnię i powodują utlenianie. Osiągnął to, wkładając do słupa brudu warstwę szklanych koralików, które nie przewodzą elektryczności. Pomimo tej przeszkody, naukowcy wciąż znaleźli prąd elektryczny poruszający się w błocie, co sugeruje, że cząsteczki metalu nie przewodziły.

Aby sprawdzić, czy kabel lub drut przenosi elektrony, naukowcy użyli drutu wolframowego do poziomego przecięcia kolumny błotnej. Prąd zgasł, jakby przecięto drut. Inne prace zawęziły rozmiar przewodnika, sugerując, że powinien on mieć co najmniej 1 mikrometr średnicy. „To normalny rozmiar bakterii” – mówi Nielsen.

Ostatecznie mikrofotografie elektronowe ujawniły prawdopodobnego kandydata: długie, cienkie włókna bakteryjne, które pojawiły się w warstwie szklanych kulek umieszczonych w zlewkach wypełnionych błotem z Aarhus Harbor. Każde włókno składało się ze stosu komórek – do 2000 – zamkniętych w żebrowanej błonie zewnętrznej. W przestrzeni pomiędzy tą membraną a komórkami ułożonymi jeden na drugim, wiele równoległych „drutów” rozciągało nić na całej jej długości. Wygląd przypominający kabel zainspirował potoczną nazwę mikroba.

Meisman, były sceptyk, szybko się nawrócił. Krótko po tym, jak Nielsen ogłosił swoje odkrycie, Meismann postanowił zbadać jedną z własnych próbek błota morskiego. „Zauważyłem te same zmiany koloru w osadzie, które on widział” - wspomina Meisman. „To była wskazówka Matki Natury, aby potraktować to poważniej”.

Jego zespół zaczął opracowywać narzędzia i metody badań drobnoustrojów, czasami współpracując z grupą Nielsena. Było ciężko. Włókna bakteryjne mają tendencję do szybkiego niszczenia po izolacji, a standardowe elektrody do pomiaru prądów w małych przewodnikach nie działają. Ale kiedy naukowcy nauczyli się wybierać pojedyncze pasmo i szybko podłączać pojedynczą elektrodę, „widzieliśmy naprawdę wysoką przewodność”, mówi Meisman. Powiedział, że kable pod napięciem nie mogą konkurować z przewodami miedzianymi, ale pasują do przewodników stosowanych w panelach słonecznych i ekranach telefonów komórkowych, a także do najlepszych półprzewodników organicznych.

Naukowcy przeanalizowali również anatomię bakterii kabla. Za pomocą kąpieli chemicznych wyizolowali cylindryczną powłokę, stwierdzając, że zawiera ona od 17 do 60 sklejonych ze sobą równoległych włókien. Powłoka jest źródłem przewodnictwa, Meisman i współpracownicy donieśli w zeszłym roku w Nature Communications. Jego dokładny skład jest wciąż nieznany, ale może być na bazie białka.

„To złożony organizm”, mówi Nielsen, który obecnie kieruje Centrum Elektromikrobiologii, utworzonym w 2017 roku przez rząd duński. Wśród problemów, które rozwiązuje ośrodek, jest masowa produkcja drobnoustrojów w kulturze. „Gdybyśmy mieli czystą kulturę, byłoby znacznie łatwiej” testować pomysły dotyczące metabolizmu komórkowego i wpływu środowiska na przewodzenie, mówi Andreas Schramm z centrum. Wyhodowane bakterie ułatwią również izolowanie przewodów kablowych i testowanie potencjalnych zastosowań bioremediacji i biotechnologii.

Podczas gdy naukowcy zastanawiają się nad bakteriami w kablu, inni patrzą na innego ważnego gracza w mułu elektrycznym: bakterie oparte na nanoprzewodach, które zamiast składać komórki w kable, wypuszczają z każdej komórki druty białkowe o długości od 20 do 50 nm.

Podobnie jak w przypadku bakterii kablowych, tajemniczy skład chemiczny osadów doprowadził do odkrycia mikrobów z nanoprzewodów. W 1987 r. mikrobiolog Derek Lovley, pracujący obecnie na Uniwersytecie Massachusetts w Amherst, próbował zrozumieć, w jaki sposób fosforan ze ścieków nawozowych – składnik odżywczy, który sprzyja zakwitowi glonów – jest uwalniany z osadów pod rzeką Potomac w Waszyngtonie. pracował i zaczął je usuwać z ziemi. Po wyhodowaniu jednej, obecnie nazywanej Geobacter Metallireducens, zauważył (pod mikroskopem elektronowym), że bakterie wytworzyły wiązania z pobliskimi minerałami żelaza. Podejrzewał, że wzdłuż tych przewodów przenoszone są elektrony, iw końcu odkrył, że Geobacter koordynuje reakcje chemiczne w błocie, utleniając związki organiczne i przenosząc elektrony do minerałów. Te zredukowane minerały uwalniają następnie fosfor i inne pierwiastki.

Podobnie jak Nielsen, Lovely spotkał się ze sceptycyzmem, kiedy po raz pierwszy opisał swój elektryczny mikrob. Dziś jednak on i inni zarejestrowali prawie tuzin rodzajów mikrobów z nanoprzewodów, znajdując je w środowiskach innych niż brud. Wiele z nich przenosi elektrony do iz cząstek osadu. Ale niektórzy polegają na innych drobnoustrojach, które odbierają lub przechowują elektrony. To biologiczne partnerstwo pozwala obu drobnoustrojom „zaangażować się w nowe rodzaje chemii, których żaden organizm nie jest w stanie zrobić sam” – mówi Victoria Orfan, geobiolog z California Institute of Technology. Podczas gdy bakterie kablowe zaspokajają swoje potrzeby redoks, transportując je na duże odległości w natlenionym błocie, te drobnoustroje zależą od siebie nawzajem w celu zaspokojenia potrzeb redoks.

Niektórzy badacze wciąż debatują nad tym, jak bakteryjne nanodruty przewodzą elektrony, Lovley i jego koledzy są przekonani, że kluczem są łańcuchy białek zwane pilinami, które składają się z okrągłych aminokwasów. Kiedy on i jego koledzy zmniejszyli ilość pierścieniowych aminokwasów w pilinie, nanodruty stały się mniej przewodzące. „To było naprawdę niesamowite”, mówi Lovely, ponieważ powszechnie przyjmuje się, że białka są izolatorami. Ale inni uważają, że to pytanie jest dalekie od rozwiązania. Na przykład Orphan mówi, że chociaż „istnieją przytłaczające dowody… nadal nie sądzę, aby [przewodzenie nanodrutu] zostało dobrze zrozumiane”.

Jasne jest, że bakterie elektryczne są wszędzie. Na przykład w 2014 r. naukowcy odkryli bakterie kablowe w trzech bardzo różnych środowiskach na Morzu Północnym: w słonym bagnie pływowym, w basenie morskim, gdzie poziom tlenu spada w niektórych porach roku prawie do zera, oraz na zalanej błotnistej równinie w pobliżu morza … Brzeg. (Nie znaleźli ich na piaszczystym obszarze zamieszkałym przez robaki, które wzburzają osady i rozrywają kable). wycieki, namorzyny i ławice pływowe zarówno w regionach o klimacie umiarkowanym, jak i podzwrotnikowym.

Bakterie kablowe występują również w środowiskach słodkowodnych. Po przeczytaniu artykułów Nielsena w 2010 i 2012 roku zespół kierowany przez mikrobiologa Rainera Meckenstock ponownie zbadał rdzenie osadów wywierconych podczas badania zanieczyszczenia wód gruntowych w Düsseldorfie w Niemczech. „Znaleźliśmy [bakterie kablowe] dokładnie tam, gdzie myśleliśmy, że je znajdziemy”, na głębokościach, gdzie tlen był wyczerpany, wspomina Mekenstock, który pracuje na Uniwersytecie Duisburg-Essen.

Bakterie Nanowire są jeszcze bardziej rozpowszechnione. Naukowcy odkryli je w glebach, polach ryżowych, głębokich jelitach, a nawet w oczyszczalniach ścieków, a także w osadach słodkowodnych i morskich. Mogą istnieć wszędzie tam, gdzie powstają biofilmy, a ich wszechobecność jest kolejnym dowodem na wielką rolę, jaką te bakterie mogą odgrywać w przyrodzie.

Duża różnorodność bakterii osadów elektrycznych sugeruje również, że odgrywają one ważną rolę w ekosystemach. Na przykład, zapobiegając gromadzeniu się siarkowodoru, bakterie kablowe prawdopodobnie czynią brud bardziej przyjaznym dla innych form życia. Meckenstock, Nielsen i inni znaleźli je na lub w pobliżu korzeni trawy morskiej i innych roślin wodnych, które uwalniają tlen, który bakterie prawdopodobnie wykorzystują do rozkładania siarkowodoru. To z kolei chroni rośliny przed toksycznym gazem. Partnerstwo „wydaje się bardzo charakterystyczne dla roślin wodnych” – powiedział Meckenstock.

Robert Aller, biogeochemik morski z Uniwersytetu Stony Brook, uważa, że bakterie mogą również pomóc wielu podwodnym bezkręgowcom, w tym robakom, które budują nory, które umożliwiają natlenionej wodzie przedostanie się do błota. Znalazł bakterie z kabla przyklejone do boków rurek dżdżownic, prawdopodobnie po to, by wykorzystać ten tlen do przechowywania elektronów. Z kolei te robaki są chronione przed toksycznym siarkowodorem. „Bakterie sprawiają, że [nora] jest bardziej znośna” – mówi Aller, który opisał powiązania w artykule z lipca 2019 r. w Science Advances.

Mikroby zmieniają również właściwości brudu, mówi Saira Malkin, ekolog z Centrum Nauk o Środowisku Uniwersytetu Maryland. „Są szczególnie skuteczni… inżynierowie ekosystemów”. Bakterie kablowe „rosną jak pożar”, mówi; Odkryła, że na rafach pływowych ostryg jeden centymetr sześcienny błota może zawierać 2859 metrów kabli, które cementują cząsteczki w miejscu, prawdopodobnie czyniąc osad bardziej odpornym na organizmy morskie.

Bakterie zmieniają również chemię brudu, sprawiając, że warstwy bliższe powierzchni są bardziej zasadowe, a głębsze bardziej kwaśne, stwierdził Malkin. Powiedziała, że takie gradienty pH mogą wpływać na „liczne cykle geochemiczne”, w tym te związane z arsenem, manganem i żelazem, stwarzając możliwości dla innych drobnoustrojów.

Naukowcy twierdzą, że ponieważ ogromne połacie planety pokryte są błotem, bakterie związane z kablami i nanoprzewodami prawdopodobnie będą miały wpływ na globalny klimat. Na przykład bakterie nanoprzewodowe mogą pobierać elektrony z materiałów organicznych, takich jak martwe okrzemki, a następnie przekazywać je innym bakteriom, które wytwarzają metan, potężny gaz cieplarniany. W różnych okolicznościach bakterie kablowe mogą zmniejszyć produkcję metanu.

W nadchodzących latach „będziemy świadkami powszechnego uznania znaczenia tych drobnoustrojów dla biosfery” – mówi Malkin. Nieco ponad dziesięć lat po tym, jak Nielsen zauważył tajemnicze zniknięcie siarkowodoru z błota w Aarhus, mówi: „To oszałamiające na myśl o tym, z czym mamy tutaj do czynienia”.

Dalej: telefon zasilany przewodami mikrobiologicznymi?

Pionierzy mikrobów elektrycznych szybko pomyśleli o tym, jak wykorzystać te bakterie.„Teraz, gdy wiemy, że ewolucja była w stanie stworzyć przewody elektryczne, szkoda byłoby, gdybyśmy ich nie użyli”, mówi Lars Peter Nielsen, mikrobiolog z Uniwersytetu w Aarhus.

Jednym z możliwych zastosowań jest wykrywanie i kontrola zanieczyszczeń. Mikroby kablowe wydają się rozwijać w obecności związków organicznych, takich jak ropa, a Nielsen i jego zespół testują możliwość, że liczebność bakterii kablowych sygnalizuje obecność nieodkrytych zanieczyszczeń w warstwach wodonośnych. Bakterie nie degradują bezpośrednio oleju, ale mogą utleniać siarczek wytwarzany przez inne bakterie oleiste. Mogą również pomóc w sprzątaniu: opady szybciej wracają do zdrowia po skażeniu ropą naftową, gdy są skolonizowane przez bakterie kablowe, jak donosiła inna grupa badawcza w styczniu w czasopiśmie Water Research. W Hiszpanii trzeci zespół bada, czy bakterie nanoprzewodowe mogą przyspieszyć oczyszczanie zanieczyszczonych terenów podmokłych. I jeszcze zanim bakterie oparte na nanoprzewodach stały się elektryczne, okazały się obiecujące w zakresie dekontaminacji odpadów nuklearnych i warstw wodonośnych skażonych węglowodorami aromatycznymi, takimi jak benzen czy naftalen.

Bakterie elektryczne mogą również dać początek nowym technologiom. Według Dereka Lovleya, mikrobiologa z University of Massachusetts (UMass) w Amherst, można je genetycznie modyfikować, aby zmienić nanoprzewody, które następnie można odciąć, aby utworzyć szkielet czułych czujników do noszenia na ciele. „Możemy projektować nanoprzewody i dostosowywać je do specyficznego wiązania interesujących związków”. Na przykład w wydaniu Nano Research z 11 maja Lovely, inżynier z UMass, Jun Yao i ich współpracownicy, opisali czujnik oparty na nanoprzewodach, który wykrywa amoniak w stężeniach niezbędnych do zastosowań rolniczych, przemysłowych, środowiskowych i biomedycznych.

Stworzone jako folia, nanodruty mogą generować energię elektryczną z wilgoci zawartej w powietrzu. Naukowcy uważają, że folia generuje energię, gdy gradient wilgoci występuje między górną i dolną krawędzią folii. (Górna krawędź jest bardziej podatna na wilgoć.) Gdy atomy wodoru i tlenu w wodzie rozdzielają się ze względu na gradient, generowany jest ładunek i przepływają elektrony. Yao i jego zespół donieśli w Nature z 17 lutego, że taki film może wytworzyć wystarczającą ilość energii do zapalenia diody elektroluminescencyjnej, a 17 takich połączonych urządzeń może zasilać telefon komórkowy. Podejście to jest „rewolucyjną technologią generowania odnawialnej, czystej i taniej energii”, mówi Qu Lianti, materiałoznawca z Uniwersytetu Tsinghua. (Inni są bardziej ostrożni, zauważając, że wcześniejsze próby wyciskania energii z wilgoci za pomocą grafenu lub polimerów nie powiodły się).

Ostatecznie naukowcy mają nadzieję wykorzystać zdolności elektryczne bakterii bez konieczności zajmowania się wybrednymi drobnoustrojami. Na przykład Catch przekonał popularną laboratoryjną i przemysłową bakterię Escherichia coli do wytwarzania nanoprzewodów. Powinno to ułatwić naukowcom masową produkcję struktur i badanie ich praktycznych zastosowań.