Tajanstvene bakterije koje prave električne žice

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Za Larsa Petera Nielsena sve je počelo tajanstvenim nestankom sumporovodika. Mikrobiolog je sakupio crno smrdljivo blato s dna luke Aarhus u Danskoj, bacio ga u velike staklene čaše i umetnuo posebne mikrosenzore koji su detektirali promjene u kemijskom sastavu mulja.

Na početku pokusa sastav je bio zasićen sumporovodikom – izvorom mirisa i boje sedimenta. Ali 30 dana kasnije, jedna traka prljavštine poblijedila je, što ukazuje na gubitak sumporovodika. Na kraju su mikrosenzori pokazali da je cijela veza nestala. S obzirom na ono što su znanstvenici znali o biogeokemiji blata, prisjeća se Nielsen sa Sveučilišta Aarhus, "to uopće nije imalo smisla".

Prvo objašnjenje, rekao je, bilo je da su senzori bili pogrešni. Ali razlog se pokazao mnogo čudnijim: bakterije koje povezuju stanice stvaraju električne kabele koji kroz prljavštinu mogu provoditi struju do 5 centimetara.

Prilagodba nikad prije viđena kod mikroba omogućuje ovim takozvanim kabelskim bakterijama da prevladaju veliki problem s kojim se suočavaju mnogi organizmi koji žive u blatu: nedostatak kisika. Njegov nedostatak obično sprječava bakterije da metaboliziraju spojeve kao što je sumporovodik za hranu. Ali kablovi, vežući mikrobe na naslage bogate kisikom, omogućuju im da reagiraju na velikim udaljenostima.

Kada je Nielsen prvi put opisao otkriće 2009. godine, njegovi kolege bili su skeptični. Philip Meisman, kemijski inženjer na Sveučilištu u Antwerpenu, prisjeća se razmišljanja: "Ovo je potpuna glupost." Da, istraživači su znali da bakterije mogu provoditi struju, ali ne na udaljenostima koje je Nielsen predložio. “Bilo je kao da naši vlastiti metabolički procesi mogu utjecati na udaljenost od 18 kilometara”, kaže mikrobiolog Andreas Teske sa Sveučilišta Sjeverne Karoline u Chapel Hillu.

No, 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 stanice koje rastu proteinske strukture koje mogu pomicati elektrone na kraće udaljenosti.

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

Otkrića tjeraju istraživače na prepisivanje udžbenika; preispitati ulogu bakterija blata u obradi ključnih elemenata kao što su ugljik, dušik i fosfor; i pregledati kako utječu na vodene ekosustave i klimatske promjene.

Znanstvenici također traže praktične primjene, istražujući potencijal bakterija koje sadrže kabele i nanožice u borbi protiv onečišćenja i napajanja elektroničkih uređaja. “Vidimo puno više interakcija unutar mikroba i između mikroba koji koriste električnu energiju,” kaže Meisman. "Ja to zovem električna biosfera."

Većina stanica uspijeva uzimajući elektrone iz jedne molekule, proces koji se naziva oksidacija, i prijenosom ih na drugu molekulu, obično kisik, što se naziva redukcija. Energija dobivena ovim reakcijama upravlja drugim životnim procesima. U eukariotskim stanicama, uključujući i našu, takve se "redox" reakcije događaju na unutarnjoj membrani mitohondrija, a udaljenosti između njih su malene - samo mikrometri. Zbog toga su mnogi istraživači bili skeptični prema Nielsenovoj tvrdnji da kabelske bakterije pomiču elektrone kroz sloj prljavštine veličine loptice za golf.

Nestanak sumporovodika bio je ključ za to. Bakterije stvaraju spoj u blatu, razgrađujući biljne ostatke i druge organske materijale; u dubljim naslagama se zbog nedostatka kisika nakuplja sumporovodik, koji pomaže drugim bakterijama da ga razgrade. Međutim, sumporovodik je ipak 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: što ako bakterije zakopane u blatu dovrše redoks reakciju, nekako zaobilazeći slojeve siromašne kisikom? Što ako bi umjesto toga upotrijebili obilnu zalihu sumporovodika kao donora elektrona i zatim usmjerili elektrone prema površini bogatoj kisikom? Tamo u procesu oksidacije nastaje hrđa ako je prisutno željezo.

Pronalaženje onoga što nosi te 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. To je postigao umetanjem sloja staklenih perli koje ne provode struju u stup prljavštine. Unatoč ovoj prepreci, istraživači su ipak pronašli električnu struju koja se kreće kroz blato, što sugerira da metalne čestice nisu vodljive.

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

Naposljetku, elektronske mikrografije otkrile su vjerojatnog 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 stanica - do 2000 - zatvorenih u rebrastu vanjsku membranu. U prostoru između ove membrane i stanica naslaganih jedna na drugu, mnoštvo paralelnih "žica" protezalo je nit cijelom svojom dužinom. Izgled nalik na kabel inspirirao 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 vidio", prisjeća se Meisman. "To je bio smjer majke prirode da to shvati ozbiljnije."

Njegov je tim počeo razvijati alate i metode za mikrobno istraživanje, ponekad radeći u suradnji s Nielsenovom grupom. Bilo je teško ići. Bakterijski filamenti imaju tendenciju brzog propadanja nakon izolacije, a standardne elektrode za mjerenje struja u malim vodičima ne rade. No, nakon što su istraživači naučili odabrati jedan lanac i brzo pričvrstiti pojedinačnu elektrodu, "vidjeli smo stvarno visoku vodljivost", kaže Meisman. Kabeli pod naponom ne mogu se natjecati s bakrenim žicama, rekao je, ali odgovaraju vodičima koji se koriste u solarnim panelima i ekranima mobilnih telefona, kao i najboljim organskim poluvodičima.

Istraživači su također analizirali anatomiju kabelskih bakterija. Koristeći kemijske kupke, izolirali su cilindričnu školjku, otkrivši da sadrži 17 do 60 paralelnih vlakana zalijepljenih zajedno. Školjka je izvor provodljivosti, izvijestili su Meisman i kolege prošle godine u Nature Communications. Njegov točan 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. osnovala danska vlada. Među problemima koje centar rješava je masovna proizvodnja mikroba u kulturi. "Da imamo čistu kulturu, bilo bi puno lakše" testirati ideje o staničnom metabolizmu i učinku okoline na provodljivost, kaže Andreas Schramm iz centra. Uzgojne bakterije također će olakšati izolaciju kabelskih žica i testiranje potencijalnih bioremedijacijskih i biotehnoloških primjena.

Dok se istraživači zbunjuju oko bakterija u kabelu, drugi gledaju na drugog velikog igrača u električnom blatu: bakterije na bazi nanožica koje, umjesto da presavijaju stanice u kabele, rastu proteinske žice duljine 20 do 50 nm iz svake stanice.

Kao i kod kabelskih bakterija, tajanstveni kemijski sastav naslaga doveo je do otkrića mikroba nanožica. Godine 1987., mikrobiolog Derek Lovley, sada na Sveučilištu Massachusetts Amherst, pokušao je razumjeti kako se fosfat iz otpadnih voda gnojiva - hranjiva tvar koja potiče cvjetanje algi - oslobađa iz sedimenta ispod rijeke Potomac u Washingtonu, DC. radio i počeo ih vaditi iz zemlje. Nakon uzgoja jednog, koji se sada zove Geobacter Metallireducens, primijetio je (pod elektronskim mikroskopom) da su bakterije stvorile veze s obližnjim mineralima željeza. Sumnjao je da se elektroni nose duž ovih žica i na kraju je shvatio da je Geobacter orkestrirao kemijske reakcije u blatu, oksidirajući organske spojeve i prenoseći elektrone na minerale. Ti smanjeni minerali zatim oslobađaju fosfor i druge elemente.

Poput Nielsena, Lovely se suočio sa skepticizmom kada je prvi put opisao svoj električni mikrob. Danas su, međutim, on i drugi registrirali gotovo desetak vrsta mikroba nanožica, pronalazeći 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 pohranjivanje elektrona. Ovo biološko partnerstvo omogućuje oba mikroba da se "uključuju u nove vrste kemije koje nijedan organizam ne može učiniti sam", kaže Victoria Orfan, geobiologinja s Kalifornijskog instituta za tehnologiju. Dok kabelske bakterije rješavaju svoje redoks potrebe transportom na velike udaljenosti u oksigenirano blato, ti mikrobi ovise o međusobnom metabolizmu kako bi zadovoljili svoje redoks potrebe.

Neki istraživači još uvijek raspravljaju o tome kako bakterijske nanožice provode elektrone. Lovley i njegovi kolege uvjereni su da su ključ lanci proteina zvani pilini, koji se sastoje od kružnih aminokiselina. Kada su on i njegovi kolege smanjili količinu prstenastih aminokiselina u pilinu, nanožice su postale manje vodljive. “Bilo je stvarno nevjerojatno”, kaže Lovely, jer je općeprihvaćeno da su proteini izolatori. Ali drugi misle da je ovo pitanje daleko od rješenja. Orphan, na primjer, kaže da, iako "postoje neodoljivi dokazi… još uvijek mislim da [provodljivost nanožice] nije dobro shvaćena."

Ono što je jasno je da su električne bakterije posvuda. 2014., na primjer, znanstvenici su otkrili kabelske bakterije u tri vrlo različita staništa u Sjevernom moru: u močvari slane plime, u bazenu morskog dna gdje razina kisika pada gotovo na nulu u nekim godišnjim dobima i u poplavljenoj blatnoj ravnici u blizini mora …. poduprijeti. (Nisu ih pronašli u pješčanom području naseljenom crvima koji stvaraju sedimente i prekidaju kablove.) Na drugim mjestima, istraživači su pronašli DNK dokaze kabelskih bakterija u dubokim oceanskim bazenima siromašnim kisikom, toplim izvorima i hladnim uvjetima. izlijevanja, te mangrove i plimne obale u umjerenim i suptropskim regijama.

Kabelske bakterije također se nalaze u slatkovodnim sredinama. Nakon čitanja Nielsenovih članaka 2010. i 2012., tim predvođen mikrobiologom Rainerom Meckenstockom ponovno je ispitao jezgre sedimenta izbušene tijekom istraživanja onečišćenja podzemnih voda u Düsseldorfu u Njemačkoj. "Pronašli smo [kabelske bakterije] točno tamo gdje smo mislili da ćemo ih pronaći", na dubinama gdje je kisik bio iscrpljen, prisjeća se Mekenstock, koji radi na Sveučilištu Duisburg-Essen.

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

Širok raspon električnih bakterija mulja također sugerira da one igraju važnu ulogu u ekosustavima. Na primjer, sprječavajući nakupljanje sumporovodika, kabelske bakterije vjerojatno čine prljavštinu pogodnijom za život drugim oblicima života. Meckenstock, Nielsen i drugi pronašli su ih na ili blizu korijenja morske trave i drugih vodenih biljaka koje oslobađaju kisik, koji bakterije vjerojatno koriste za razgradnju sumporovodika. To zauzvrat štiti biljke od otrovnog plina. Partnerstvo se "čini vrlo karakterističnim za vodene biljke", rekao je Meckenstock.

Robert Aller, morski biogeokemičar na Sveučilištu Stony Brook, vjeruje da bakterije također mogu pomoći mnogim podvodnim beskralješnjacima, uključujući crve koji grade jazbine koje dopuštaju oksigeniranoj vodi da uđe u blato. Pronašao je kabelske bakterije koje vire na strane cijevi crva, vjerojatno da bi mogle koristiti ovaj kisik za pohranu elektrona. Zauzvrat, ovi crvi su zaštićeni od otrovnog sumporovodika. "Bakterije čine [japu] pogodnijom za život", kaže Aller, koji je poveznice opisao u članku iz srpnja 2019. u Science Advances.

Mikrobi također mijenjaju svojstva prljavštine, kaže Saira Malkin, ekologinja sa Centra za znanosti o okolišu Sveučilišta Maryland. "Oni su posebno učinkoviti… inženjeri ekosustava." Kabelske bakterije "rastu poput požara", kaže ona; Na grebenima kamenica s plime i oseke, otkrila je, jedan kubični centimetar blata može sadržavati 2.859 metara kablova koji cementiraju čestice na mjestu, što možda čini sediment otpornijim na morske organizme.

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

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

U nadolazećim godinama “vidjet ćemo široko prepoznavanje važnosti ovih mikroba za biosferu”, kaže Malkin. Nešto više od deset godina nakon što je Nielsen primijetio misteriozni nestanak sumporovodika iz Aarhuskog 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 upotrijebiti te bakterije."Sada kada znamo da je evolucija uspjela stvoriti električne žice, bila bi šteta da ih ne koristimo", kaže Lars Peter Nielsen, mikrobiolog sa Sveučilišta u Aarhusu.

Jedna od mogućih primjena je otkrivanje i kontrola zagađivača. Čini se da kabelski mikrobi uspijevaju u prisutnosti organskih spojeva poput nafte, a Nielsen i njegov tim testiraju mogućnost da obilje kabelskih bakterija signalizira prisutnost neotkrivenog onečišćenja u vodonosnicima. Bakterije ne razgrađuju izravno ulje, ali mogu oksidirati sulfid koji proizvode druge uljne bakterije. Oni također mogu pomoći u čišćenju; oborina se brže oporavlja od kontaminacije sirovom naftom kada je koloniziraju kabelske bakterije, izvijestila je druga istraživačka skupina u siječnju u časopisu Water Research. U Španjolskoj treći tim istražuje mogu li bakterije nanožice ubrzati čišćenje zagađenih močvara. Čak i prije nego što su bakterije bazirane na nanožici postale električne, pokazale su obećanje dekontaminacije nuklearnog otpada i vodonosnika kontaminiranih aromatičnim ugljikovodicima kao što su benzen ili naftalen.

Električne bakterije također mogu dovesti do novih tehnologija. Mogu se genetski modificirati kako bi se promijenile njihove nanožice, koje se zatim mogu odrezati kako bi tvorile okosnicu osjetljivih nosivih senzora, kaže Derek Lovley, mikrobiolog sa Sveučilišta Massachusetts (UMass), Amherst. "Možemo dizajnirati nanožice i prilagoditi ih da specifično vežu spojeve od interesa." Na primjer, u izdanju Nano Researcha Lovely od 11. svibnja, UMass-ov inženjer Jun Yao i njihovi kolege opisali su senzor baziran na nanožici koji detektira amonijak u koncentracijama potrebnim za poljoprivrednu, industrijsku, ekološku i biomedicinsku primjenu.

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. (Gornji rub je osjetljiviji na vlagu.) Kako se atomi vodika i kisika u vodi odvajaju zbog gradijenta, stvara se naboj i elektroni teku. Yao i njegov tim izvijestili su u Natureu 17. veljače da bi takav film mogao stvoriti dovoljno energije za osvjetljavanje diode koja emitira 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, znanstvenik za materijale sa Sveučilišta Tsinghua. (Drugi su oprezniji, ističući da su prošli pokušaji da se energija istisne iz vlage pomoću grafena ili polimera bili neuspješni.)

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