Skrivnostne bakterije, ki izdelujejo električne žice

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Za Larsa Petra Nielsena se je vse začelo s skrivnostnim izginotjem vodikovega sulfida. Mikrobiolog je črno, smrdljivo blato pobral z dna pristanišča Aarhus na Danskem, ga vrgel v velike steklene čaše in vstavil posebne mikrosenzorje, ki so zaznavali spremembe v kemični sestavi blata.

Na začetku poskusa je bila sestava nasičena z vodikovim sulfidom – virom vonja in barve usedline. Toda 30 dni kasneje je en trak umazanije postal bled, kar kaže na izgubo vodikovega sulfida. Sčasoma so mikrosenzorji pokazali, da ni celotne povezave. Glede na to, kar so znanstveniki vedeli o biogeokemiji blata, se spominja Nielsen z univerze Aarhus, "to sploh ni imelo smisla."

Prva razlaga je po njegovih besedah bila, da so bili senzorji napačni. Toda razlog se je izkazal za veliko bolj čudnega: bakterije, ki povezujejo celice, ustvarjajo električne kable, ki lahko skozi umazanijo prevajajo tok do 5 centimetrov.

Prilagoditev, ki je pri mikrobih še nikoli ni bilo, omogoča tem tako imenovanim kabelskim bakterijam, da premagajo velik problem, s katerim se soočajo številni organizmi, ki živijo v blatu: pomanjkanje kisika. Njegova odsotnost običajno preprečuje bakterijam, da bi presnavljale spojine, kot je vodikov sulfid za hrano. Toda kabli z vezavo mikrobov na usedline, bogate s kisikom, omogočajo, da reagirajo na dolge razdalje.

Ko je Nielsen leta 2009 prvič opisal odkritje, so bili njegovi kolegi skeptični. Philip Meisman, kemijski inženir na Univerzi v Antwerpnu, se spominja, da je razmišljal: "To je popoln nesmisel." Da, raziskovalci so vedeli, da lahko bakterije prevajajo elektriko, vendar ne na razdaljah, ki jih je predlagal Nielsen. "Zdelo se je, kot da bi naši lastni presnovni procesi lahko vplivali na razdaljo 18 kilometrov," pravi mikrobiolog Andreas Teske z Univerze Severne Karoline v Chapel Hillu.

Toda bolj ko so raziskovalci iskali "elektrificirano" blato, več so ga našli tako v slani kot v sladki vodi. Ugotovili so tudi drugo vrsto električnih mikrobov, ki ljubijo umazanijo: bakterije nanožice, posamezne celice, ki gojijo beljakovinske strukture, ki lahko premikajo elektrone na krajše razdalje.

Te mikrobe iz nanožice najdemo povsod, tudi v človeških ustih

Odkritja silijo raziskovalce v prepisovanje učbenikov; ponovno razmisliti o vlogi blatnih bakterij pri predelavi ključnih elementov, kot so ogljik, dušik in fosfor; in pregledati, kako vplivajo na vodne ekosisteme in podnebne spremembe.

Znanstveniki iščejo tudi praktične aplikacije, pri čemer raziskujejo potencial bakterij, ki vsebujejo kable in nanožice, za boj proti onesnaževanju in napajanje elektronskih naprav. "Vidimo veliko več interakcij znotraj mikrobov in med mikrobi, ki uporabljajo elektriko," pravi Meisman. "Jaz temu pravim električna biosfera."

Večina celic uspeva tako, da vzame elektrone iz ene molekule, proces, imenovan oksidacija, in jih prenese na drugo molekulo, običajno kisik, imenovano redukcija. Energija, pridobljena s temi reakcijami, uravnava druge življenjske procese. V evkariontskih celicah, tudi v naših, se takšne »redox« reakcije pojavljajo na notranji membrani mitohondrijev, razdalje med njimi pa so drobne – le mikrometre. Zato je bilo toliko raziskovalcev skeptično glede Nielsenove trditve, da kabelske bakterije premikajo elektrone skozi plast umazanije v velikosti žogice za golf.

Ključ do tega je bil izginotje vodikovega sulfida. Bakterije tvorijo spojino v blatu, ki razgrajuje rastlinske ostanke in druge organske materiale; v globljih nahajališčih se zaradi pomanjkanja kisika kopiči vodikov sulfid, ki pomaga drugim bakterijam, da ga razgradijo. Vendar je vodikov sulfid v Nielsenovih čašah še vedno izginil. Poleg tega se je na površini umazanije pojavil zarjavel odtenek, kar je kazalo na nastanek železovega oksida.

Ko se je neke noči zbudil, je Nielsen prišel do čudne razlage: kaj če bi bakterije, zakopane v blatu, zaključile redoks reakcijo in nekako zaobšle plasti, revne s kisikom? Kaj pa, če bi namesto tega uporabili obilno zalogo vodikovega sulfida kot darovalca elektronov in nato usmerili elektrone navzgor proti površini, bogati s kisikom? Tam v procesu oksidacije nastane rja, če je prisotno železo.

Iskanje, kaj nosi te elektrone, se je izkazalo za težko. Najprej je moral Niels Riesgaard-Petersen iz Nielsenove ekipe izključiti enostavnejšo možnost: kovinski delci v usedlini prenašajo elektrone na površje in povzročajo oksidacijo. To je dosegel tako, da je v steber umazanije vstavil plast steklenih kroglic, ki ne prevajajo električne energije. Kljub tej oviri so raziskovalci še vedno našli električni tok, ki se premika skozi blato, kar kaže, da kovinski delci niso bili prevodni.

Da bi ugotovili, ali kabel ali žica prenaša elektrone, so raziskovalci nato uporabili volframovo žico, da so naredili vodoravni rez skozi stolpec blata. Tok je ugasnil, kot da bi bila prerezana žica. Druga dela so zožila velikost prevodnika, kar kaže, da bi moral biti premer najmanj 1 mikrometer. "To je normalna velikost bakterij," pravi Nielsen.

Na koncu so elektronski mikrografi razkrili verjetnega kandidata: dolga, tanka bakterijska vlakna, ki so se pojavila v plasti steklenih kroglic, vstavljenih v čaše, napolnjene z blatom iz pristanišča Aarhus. Vsak filament je bil sestavljen iz skupine celic - do 2000 - zaprtih v rebrasto zunanjo membrano. V prostoru med to membrano in celicami, zloženimi ena na drugo, je množica vzporednih "žic" raztegnila nit po celotni dolžini. Videz, podoben kablu, je navdihnil splošno ime mikroba.

Meisman, nekdanji skeptik, se je hitro spreobrnil. Kmalu po tem, ko je Nielsen objavil svoje odkritje, se je Meismann odločil raziskati enega od svojih vzorcev morskega blata. "Opazil sem enake barvne spremembe v usedlini, kot jih je videl," se spominja Meisman. "To je bilo navodilo matere narave, naj to vzame bolj resno."

Njegova ekipa je začela razvijati orodja in metode za raziskave mikrobov, včasih pa je delala v sodelovanju z Nielsenovo skupino. Težko je šlo. Bakterijski filamenti se po izolaciji hitro pokvarijo, standardne elektrode za merjenje tokov v majhnih prevodnikih pa ne delujejo. Toda ko so se raziskovalci naučili izbrati eno samo verigo in hitro pritrditi posamezno elektrodo, "smo videli res visoko prevodnost," pravi Meisman. Kabli pod napetostjo ne morejo tekmovati z bakrenimi žicami, je dejal, vendar se ujemajo s prevodniki, ki se uporabljajo v sončnih kolektorjih in zaslonih mobilnih telefonov, pa tudi z najboljšimi organskimi polprevodniki.

Raziskovalci so analizirali tudi anatomijo kabelskih bakterij. Z uporabo kemičnih kopeli so izolirali valjasto lupino in ugotovili, da vsebuje od 17 do 60 vzporednih vlaken, zlepljenih v notranjosti. Lupina je vir prevodnosti, so Meisman in sodelavci poročali lani v Nature Communications. Njegova natančna sestava še ni znana, lahko pa temelji na beljakovinah.

"To je zapleten organizem," pravi Nielsen, ki zdaj vodi Center za elektro-mikrobiologijo, ki ga je leta 2017 ustanovila danska vlada. Med problemi, ki jih center rešuje, je množična proizvodnja mikrobov v kulturi. "Če bi imeli čisto kulturo, bi bilo veliko lažje" preizkusiti ideje o celični presnovi in vplivu okolja na prevodnost, pravi Andreas Schramm iz centra. Gojene bakterije bodo olajšale tudi izolacijo kabelskih žic in testiranje potencialnih aplikacij za bioremediacijo in biotehnologijo.

Medtem ko se raziskovalci sprašujejo o bakterijah v kablu, drugi gledajo na drugega pomembnega akterja v električnem blatu: bakterije na osnovi nanožice, ki namesto zvijanja celic v kable iz vsake celice gojijo beljakovinske žice dolžine 20 do 50 nm.

Tako kot pri kabelskih bakterijah je skrivnostna kemična sestava nahajališč privedla do odkritja mikrobov iz nanožice. Leta 1987 je mikrobiolog Derek Lovley, zdaj na univerzi Massachusetts Amherst, poskušal razumeti, kako se fosfat iz odpadne vode gnojil – hranilo, ki spodbuja cvetenje alg – sprošča iz usedlin pod reko Potomac v Washingtonu, DC. delal in jih začel pleviti iz umazanije. Po vzgoji enega, ki se zdaj imenuje Geobacter Metallireducens, je opazil (pod elektronskim mikroskopom), da so bakterije zrasle vezi z bližnjimi minerali železa. Sumil je, da se po teh žicah prenašajo elektroni, in sčasoma je ugotovil, da je Geobacter orkestriral kemične reakcije v blatu, oksidira organske spojine in prenaša elektrone na minerale. Ti zmanjšani minerali nato sproščajo fosfor in druge elemente.

Tako kot Nielsen se je tudi Lovely soočil s skepticizmom, ko je prvič opisal svoj električni mikrob. Danes pa so on in drugi registrirali skoraj ducat vrst mikrobov iz nanožice in jih našli v okoljih, ki niso umazanija. Mnogi prenašajo elektrone do in iz delcev v usedlini. Toda nekateri se zanašajo na druge mikrobe za sprejemanje ali shranjevanje elektronov. To biološko partnerstvo omogoča obema mikrobom, da se "vključujeta v nove vrste kemije, ki jih noben organizem ne zmore sam," pravi Victoria Orfan, geobiologinja s Kalifornijskega inštituta za tehnologijo. Medtem ko kabelske bakterije rešujejo svoje redoks potrebe tako, da se prenašajo na dolge razdalje v blato, obogateno s kisikom, so ti mikrobi odvisni od presnove drug drugega, da zadovoljijo svoje potrebe po redoksu.

Nekateri raziskovalci še vedno razpravljajo o tem, kako bakterijske nanožice vodijo elektrone, Lovley in njegovi sodelavci so prepričani, da so ključne verige beljakovin, imenovanih pilini, ki so sestavljene iz krožnih aminokislin. Ko so on in njegovi kolegi zmanjšali količino obročastih aminokislin v pilinu, so nanožice postale manj prevodne. "Bilo je res neverjetno," pravi Lovely, saj je splošno sprejeto, da so beljakovine izolatorji. Toda drugi menijo, da to vprašanje še zdaleč ni rešeno. Sirota na primer pravi, da čeprav "obstajajo številni dokazi … še vedno mislim, da [prevodnost nanožice] ni dobro razumljena."

Jasno je, da so električne bakterije povsod. Leta 2014 so na primer znanstveniki odkrili kabelske bakterije v treh zelo različnih habitatih v Severnem morju: v slanem močvirju, v porečju morskega dna, kjer raven kisika v nekaterih letnih časih pade skoraj na nič, in na poplavljeni blatni ravnici blizu morja. …. obala. (Niso jih našli na peščenem območju, kjer živijo črvi, ki zmešajo usedline in motijo kable.) Na drugem mestu so raziskovalci našli dokaze DNK o kabelskih bakterijah v globokih oceanskih bazenih, revnih s kisikom, na vročih izvirih in v hladnih razmerah. razlitja ter mangrove in plimske obale v zmernih in subtropskih regijah.

Kabelske bakterije najdemo tudi v sladkovodnih okoljih. Po branju Nielsenovih člankov v letih 2010 in 2012 je skupina pod vodstvom mikrobiologa Rainerja Meckenstocka ponovno pregledala sedimentna jedra, izvrtana med raziskavo onesnaženosti podzemne vode v Düsseldorfu v Nemčiji. "Našli smo [kabelske bakterije] točno tam, kjer smo mislili, da jih bomo našli," v globinah, kjer je kisik izčrpan, se spominja Mekenstock, ki dela na Univerzi Duisburg-Essen.

Bakterije nanowire so še bolj razširjene. Raziskovalci so jih našli v tleh, riževih poljih, globokih črevesjih in celo čistilnih napravah, pa tudi v sladkovodnih in morskih usedlinah. Lahko obstajajo povsod, kjer nastajajo biofilmi, in vseprisotnost biofilmov je nadaljnji dokaz o veliki vlogi, ki jo te bakterije lahko igrajo v naravi.

Raznolikost električnih bakterij blata prav tako kaže, da imajo pomembno vlogo v ekosistemih. Na primer, s preprečevanjem kopičenja vodikovega sulfida, kabelske bakterije verjetno naredijo umazanijo bolj primerno za druge življenjske oblike. Meckenstock, Nielsen in drugi so jih našli na ali blizu korenin morske trave in drugih vodnih rastlin, ki sproščajo kisik, ki ga bakterije verjetno uporabljajo za razgradnjo vodikovega sulfida. To pa ščiti rastline pred strupenimi plini. Partnerstvo se "zdi zelo značilno za vodne rastline," je dejal Meckenstock.

Robert Aller, morski biogeokemik na univerzi Stony Brook, verjame, da lahko bakterije pomagajo tudi številnim podvodnim nevretenčarjem, vključno s črvi, ki gradijo jame, ki omogočajo, da voda s kisikom vstopi v blato. Odkril je kabelske bakterije, ki so štrlele po straneh črvskih cevi, verjetno zato, da bi lahko uporabile ta kisik za shranjevanje elektronov. Po drugi strani so ti črvi zaščiteni pred strupenim vodikovim sulfidom. "Bakterije naredijo [brov] bolj primeren za življenje," pravi Aller, ki je povezave opisal v članku iz julija 2019 v Science Advances.

Mikrobi spreminjajo tudi lastnosti umazanije, pravi Saira Malkin, ekologinja s Centra za okoljske znanosti Univerze v Marylandu. "So še posebej učinkoviti … inženirji ekosistemov." Kabelske bakterije "rastejo kot požar," pravi; Na grebenih plimskih ostrig je ugotovila, da lahko en kubični centimeter blata vsebuje 2859 metrov kablov, ki cementirajo delce na mestu, zaradi česar je sediment morda bolj odporen na morske organizme.

Bakterije spremenijo tudi kemijo umazanije, zaradi česar so plasti, ki so bližje površini, bolj alkalne, globlje plasti pa bolj kisle, je ugotovil Malkin. Takšni pH gradienti lahko vplivajo na "številne geokemične cikle", vključno s tistimi, povezanimi z arzenom, manganom in železom, je dejala, kar ustvarja priložnosti za druge mikrobe.

Ker so obsežni predeli planeta pokriti z blatom, bodo po mnenju raziskovalcev bakterije, povezane s kabli in nanožicami, verjetno vplivale na globalno podnebje. Bakterije nanowire, na primer, lahko vzamejo elektrone iz organskih materialov, kot so mrtve diatomeje, in jih nato prenesejo na druge bakterije, ki proizvajajo metan, močan toplogredni plin. V različnih okoliščinah lahko kabelske bakterije zmanjšajo proizvodnjo metana.

V prihodnjih letih "bomo videli splošno priznanje pomena teh mikrobov za biosfero," pravi Malkin. Nekaj več kot deset let po tem, ko je Nielsen opazil skrivnostno izginotje vodikovega sulfida iz aarhuškega blata, pravi: "Vrtoglavo je razmišljati, s čim imamo opravka tukaj."

Naslednji: telefon, ki ga napajajo mikrobne žice?

Pionirji električnih mikrobov so hitro pomislili, kako uporabiti te bakterije."Zdaj ko vemo, da je evolucija lahko ustvarila električne žice, bi bilo škoda, če jih ne bi uporabili," pravi Lars Peter Nielsen, mikrobiolog z Univerze v Aarhusu.

Ena možna uporaba je odkrivanje in nadzor onesnaževal. Zdi se, da kabelski mikrobi uspevajo v prisotnosti organskih spojin, kot je olje, in Nielsen in njegova ekipa preizkušata možnost, da obilo kabelskih bakterij signalizira prisotnost neodkritega onesnaženja v vodonosnikih. Bakterije ne razgradijo neposredno olja, lahko pa oksidirajo sulfid, ki ga proizvajajo druge oljne bakterije. Pomagajo lahko tudi pri čiščenju; padavine si hitreje opomorejo od kontaminacije s surovo nafto, ko jo kolonizirajo kabelske bakterije, je januarja poročala druga raziskovalna skupina v reviji Water Research. V Španiji tretja ekipa raziskuje, ali lahko bakterije iz nanožice pospešijo čiščenje onesnaženih mokrišč. In še preden so bile bakterije na osnovi nanožice električne, so pokazale obljubo dekontaminacije jedrskih odpadkov in vodonosnikov, onesnaženih z aromatičnimi ogljikovodiki, kot sta benzen ali naftalen.

Električne bakterije lahko povzročijo tudi nove tehnologije. Po mnenju Dereka Lovleyja, mikrobiologa z univerze Massachusetts (UMass), Amherst, jih je mogoče gensko spremeniti, da spremenijo njihove nanožice, ki jih je mogoče odrezati, da tvorijo hrbtenico občutljivih nosljivih senzorjev. "Lahko oblikujemo nanožice in jih prilagodimo tako, da specifično vežejo zanimive spojine." Na primer, v reviji Nano Research z dne 11. maja Lovely je inženir UMass Jun Yao in njihovi sodelavci opisali senzor na osnovi nanožice, ki zazna amoniak v koncentracijah, potrebnih za kmetijske, industrijske, okoljske in biomedicinske aplikacije.

Nanožice, ustvarjene kot film, lahko proizvajajo električno energijo iz vlage v zraku. Raziskovalci verjamejo, da film ustvarja energijo, ko pride do gradienta vlage med zgornjim in spodnjim robom filma. (Zgornji rob je bolj dovzeten za vlago.) Ker se atomi vodika in kisika v vodi ločujejo zaradi gradienta, nastane naboj in tečejo elektroni. Yao in njegova ekipa sta poročala v Nature 17. februarja, da bi tak film lahko ustvaril dovolj energije za prižiganje svetleče diode, 17 takšnih naprav, povezanih skupaj, pa bi lahko napajalo mobilni telefon. Pristop je "revolucionarna tehnologija za proizvodnjo obnovljive, čiste in poceni energije," pravi Qu Lianti, znanstvenik za materiale na univerzi Tsinghua. (Drugi so bolj previdni in ugotavljajo, da so bili pretekli poskusi iztiskanja energije iz vlage z uporabo grafena ali polimerov neuspešni.)

Navsezadnje raziskovalci upajo, da bodo izkoristili električne sposobnosti bakterij, ne da bi se morali soočiti z izbirčnimi mikrobi. Catch je na primer prepričal običajno laboratorijsko in industrijsko bakterijo Escherichia coli v izdelavo nanožic. To naj bi raziskovalcem olajšalo množično proizvodnjo struktur in preučevanje njihove praktične uporabe.