Záhadné bakterie vyrábějící elektrické dráty

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Pro Larse Petera Nielsena to všechno začalo záhadným zmizením sirovodíku. Mikrobiolog sesbíral černé páchnoucí bahno ze dna přístavu Aarhus v Dánsku, hodil ho do velkých skleněných kádinek a vložil do něj speciální mikrosenzory, které detekovaly změny v chemickém složení bahna.

Na začátku experimentu byla kompozice nasycena sirovodíkem – zdrojem zápachu a barvy sedimentu. Ale o 30 dní později jeden pruh špíny zbledl, což ukazuje na ztrátu sirovodíku. Nakonec mikrosenzory ukázaly, že celé spojení bylo pryč. Vzhledem k tomu, co vědci věděli o biogeochemii bahna, vzpomíná Nielsen z Aarhuské univerzity, „to vůbec nedávalo smysl“.

První vysvětlení, řekl, bylo, že senzory byly špatné. Důvod se ale ukázal být mnohem podivnější: bakterie, které spojují buňky, vytvářejí elektrické kabely, které mohou špínou vést proud až 5 centimetrů.

Adaptace u mikrobů dosud nevídaná umožňuje těmto takzvaným kabelovým bakteriím překonat hlavní problém, kterému čelí mnoho organismů žijících v bahně: nedostatek kyslíku. Jeho nepřítomnost obvykle brání bakteriím metabolizovat sloučeniny, jako je sirovodík, pro potravu. Ale kabely tím, že vážou mikroby na ložiska bohatá na kyslík, jim umožňují reagovat na velké vzdálenosti.

Když Nielsen v roce 2009 objev poprvé popsal, jeho kolegové byli skeptičtí. Philip Meisman, chemický inženýr na univerzitě v Antverpách, vzpomíná, že si myslel: "To je úplný nesmysl." Ano, vědci věděli, že bakterie mohou vést elektřinu, ale ne ve vzdálenosti, kterou navrhoval Nielsen. „Bylo to, jako by naše vlastní metabolické procesy mohly ovlivnit vzdálenost 18 kilometrů,“říká mikrobiolog Andreas Teske z University of North Carolina v Chapel Hill.

Čím více ale výzkumníci hledali „elektrifikované“bahno, tím více ho nacházeli ve slané i sladké vodě. Identifikovali také druhý typ elektrických mikrobů milujících špínu: nanovláknové bakterie, jednotlivé buňky, které pěstují proteinové struktury, které mohou přenášet elektrony na kratší vzdálenosti.

Tyto nanovláknové mikroby se nacházejí všude, včetně lidských úst

Objevy nutí badatele přepisovat učebnice; přehodnotit úlohu bahenních bakterií při zpracování klíčových prvků, jako je uhlík, dusík a fosfor; a přezkoumá, jak ovlivňují vodní ekosystémy a změnu klimatu.

Vědci také hledají praktické aplikace a zkoumají potenciál bakterií obsahujících kabely a nanodráty v boji proti znečištění a napájení elektronických zařízení. "Vidíme mnohem více interakcí uvnitř mikrobů a mezi mikroby pomocí elektřiny," říká Meisman. "Říkám tomu elektrická biosféra."

Většina buněk prosperuje tak, že odebírá elektrony z jedné molekuly, což je proces zvaný oxidace, a přenáší je do jiné molekuly, obvykle kyslíku, nazývané redukce. Energie získaná z těchto reakcí řídí další životní procesy. V eukaryotických buňkách, včetně našich vlastních, k takovým „redoxním“reakcím dochází na vnitřní membráně mitochondrií a vzdálenosti mezi nimi jsou nepatrné – pouhé mikrometry. To je důvod, proč bylo tolik výzkumníků skeptických k Nielsenovu tvrzení, že kabelové bakterie pohybují elektrony vrstvou špíny o velikosti golfového míčku.

Klíčem k prokázání byl mizející sirovodík. Bakterie tvoří sloučeninu v bahně, rozkládající rostlinné zbytky a další organické materiály; v hlubších ložiscích se kvůli nedostatku kyslíku hromadí sirovodík, který pomáhá dalším bakteriím s jeho odbouráváním. V Nielsenových kádinkách však stále mizel sirovodík. Navíc se na povrchu špíny objevil rezavý odstín, který ukazoval na tvorbu oxidu železa.

Jedné noci se Nielsen probudil a přišel s podivným vysvětlením: co když bakterie pohřbené v bahně dokončily redoxní reakci a nějak obešly vrstvy chudé na kyslík? Co kdyby místo toho využili hojné zásoby sirovodíku jako donoru elektronů a pak elektrony nasměrovali nahoru k povrchu bohatému na kyslík? Tam se v procesu oxidace tvoří rez, pokud je přítomno železo.

Hledání toho, co nese tyto elektrony, se ukázalo jako obtížné. Nejprve musel Niels Riesgaard-Petersen z Nielsenova týmu vyloučit jednodušší možnost: kovové částice v sedimentu přenášejí elektrony na povrch a způsobují oxidaci. Dosáhl toho vložením vrstvy skleněných kuliček, které nevedou elektřinu, do sloupu hlíny. Navzdory této překážce vědci stále našli elektrický proud pohybující se bahnem, což naznačuje, že kovové částice nebyly vodivé.

Aby vědci zjistili, zda kabel nebo drát nese elektrony, použili wolframový drát k horizontálnímu řezu sloupcem bahna. Vypadl proud, jako by se přeřízl drát. Jiná práce zúžila velikost vodiče, což naznačuje, že by měl mít průměr alespoň 1 mikrometr. "To je normální velikost bakterií," říká Nielsen.

Nakonec elektronové mikrofotografie odhalily pravděpodobného kandidáta: dlouhá, tenká bakteriální vlákna, která se objevila ve vrstvě skleněných kuliček vložených do kádinek naplněných bahnem z přístavu Aarhus. Každé vlákno sestávalo ze stohu buněk - až 2000 - uzavřených v žebrované vnější membráně. V prostoru mezi touto membránou a články naskládanými na sebe natáhlo vlákno po celé jeho délce množství paralelních „drátů“. Vzhled podobný kabelu inspiroval běžný název mikroba.

Meisman, bývalý skeptik, se rychle obrátil. Krátce poté, co Nielsen oznámil svůj objev, se Meismann rozhodl prozkoumat jeden ze svých vlastních vzorků mořského bahna. "Všiml jsem si stejných barevných změn v sedimentu, jaké viděl on," vzpomíná Meisman. "Byl to pokyn matky přírody, aby to vzala vážněji."

Jeho tým začal vyvíjet nástroje a metody pro mikrobiální výzkum, někdy pracoval ve spojení s Nielsenovou skupinou. Bylo to těžké. Bakteriální vlákna mají tendenci se po izolaci rychle zhoršovat a standardní elektrody pro měření proudů v malých vodičích nefungují. Ale jakmile se vědci naučili vybrat jeden pramen a rychle připojit jednotlivou elektrodu, „viděli jsme opravdu vysokou vodivost,“říká Meisman. Živé kabely nemohou konkurovat měděným drátům, řekl, ale odpovídají vodičům používaným v solárních panelech a obrazovkách mobilních telefonů a také nejlepším organickým polovodičům.

Vědci také analyzovali anatomii kabelových bakterií. Pomocí chemických lázní izolovali válcový plášť a zjistili, že uvnitř obsahuje 17 až 60 rovnoběžných vláken slepených k sobě. Skořápka je zdrojem vedení, uvedl Meisman a kolegové loni v Nature Communications. Jeho přesné složení je stále neznámé, ale může být na bázi bílkovin.

„Je to složitý organismus,“říká Nielsen, který nyní vede Centrum pro elektro-mikrobiologii, vytvořené v roce 2017 dánskou vládou. Mezi problémy, které centrum řeší, patří masová produkce mikrobů v kultuře. „Kdybychom měli čistou kulturu, bylo by mnohem snazší“testovat myšlenky o buněčném metabolismu a vlivu prostředí na vodivost, říká Andreas Schramm z centra. Kultivované bakterie také usnadní izolaci kabelových drátů a testování potenciálních bioremediačních a biotechnologických aplikací.

Zatímco si vědci lámou hlavu nad bakteriemi v kabelu, jiní se dívají na dalšího významného hráče v oblasti elektrického bahna: bakterie na bázi nanodrátů, které místo skládání buněk do kabelů pěstují proteinové dráty o délce 20 až 50 nm z každé buňky.

Stejně jako u kabelových bakterií vedlo záhadné chemické složení ložisek k objevu mikrobů nanodrátů. V roce 1987 se mikrobiolog Derek Lovley, nyní na University of Massachusetts Amherst, pokusil pochopit, jak se fosfát z odpadní vody z hnojiv – živina, která podporuje květy řas – uvolňuje ze sedimentu pod řekou Potomac ve Washingtonu, DC. pracoval a začal je vytrhávat z hlíny. Poté, co vypěstoval jednu, nyní nazvanou Geobacter Metallireducens, si všiml (pod elektronovým mikroskopem), že bakterie vytvořily vazby s blízkými železnými minerály. Měl podezření, že elektrony jsou přenášeny podél těchto drátů, a nakonec přišel na to, že Geobacter řídí chemické reakce v bahně, oxidují organické sloučeniny a přenášejí elektrony na minerály. Tyto redukované minerály pak uvolňují fosfor a další prvky.

Stejně jako Nielsen čelil Lovely skepticismu, když poprvé popsal svého elektrického mikroba. Dnes však on a další zaregistrovali téměř tucet typů nanodrátových mikrobů a nacházeli je v jiných prostředích, než je špína. Mnohé přenášejí elektrony do az částic v sedimentu. Ale někteří se spoléhají na jiné mikroby, které přijímají nebo ukládají elektrony. Toto biologické partnerství umožňuje oběma mikrobům „zapojit se do nových druhů chemie, které žádný organismus nedokáže sám,“říká Victoria Orfan, geobioložka z California Institute of Technology. Zatímco kabelové bakterie řeší své redoxní potřeby transportem na velké vzdálenosti do okysličeného bahna, tyto mikroby závisí na vzájemném metabolismu, aby uspokojily své redoxní potřeby.

Někteří vědci stále diskutují o tom, jak bakteriální nanodrátky vedou elektrony. Lovley a jeho kolegové jsou přesvědčeni, že klíčové jsou řetězce proteinů zvané piliny, které jsou tvořeny kruhovými aminokyselinami. Když on a jeho kolegové snížili množství prstencových aminokyselin v pilinu, nanodrátky se staly méně vodivými. "Bylo to opravdu úžasné," říká Lovely, protože se obecně uznává, že proteiny jsou izolanty. Jiní si ale myslí, že tato otázka není zdaleka vyřešena. Orphan například říká, že ačkoli "existuje ohromující důkaz… stále si nemyslím, že [vodivost nanodrátu] je dobře pochopena."

Jasné je, že elektrické bakterie jsou všude. V roce 2014 například vědci objevili kabelové bakterie ve třech velmi odlišných biotopech v Severním moři: v přílivové slané bažině, v mořském dně, kde hladina kyslíku v některých ročních obdobích klesá téměř na nulu, a v zatopené bahnité pláni poblíž moře. …. pobřeží. (Nenašli je v písečné oblasti obývané červy, kteří chrlí usazeniny a narušují kabely.) Jinde vědci našli důkazy DNA o bakteriích kabelů v hlubokých oceánských pánvích, v oblastech s horkými prameny a v chladných podmínkách. úniky, mangrovy a přílivové břehy v mírných i subtropických oblastech.

Kabelové bakterie se také nacházejí ve sladkovodním prostředí. Po přečtení Nielsenových článků v letech 2010 a 2012 tým vedený mikrobiologem Rainerem Meckenstockem znovu prozkoumal jádra sedimentů vyvrtaná během průzkumu kontaminace podzemních vod v německém Düsseldorfu. „Našli jsme [bakterie kabelů] přesně tam, kde jsme si mysleli, že je najdeme,“v hloubkách, kde byl vyčerpán kyslík, vzpomíná Mekenstock, který pracuje na univerzitě v Duisburgu-Essenu.

Bakterie nanodrátů jsou ještě rozšířenější. Vědci je našli v půdách, rýžových polích, hlubokých útrobách a dokonce i v čističkách odpadních vod, stejně jako ve sladkovodních a mořských sedimentech. Mohou existovat všude tam, kde se tvoří biofilmy, a všudypřítomnost biofilmů je dalším důkazem velké role, kterou tyto bakterie mohou hrát v přírodě.

Široká škála bakterií elektrického kalu také naznačuje, že hrají důležitou roli v ekosystémech. Například tím, že brání hromadění sirovodíku, kabelové bakterie pravděpodobně činí nečistoty obyvatelnější pro jiné formy života. Meckenstock, Nielsen a další je našli na nebo v blízkosti kořenů mořské trávy a dalších vodních rostlin, které uvolňují kyslík, který bakterie pravděpodobně využívají k rozkladu sirovodíku. To zase chrání rostliny před toxickým plynem. Partnerství "se zdá velmi charakteristické pro vodní rostliny," řekl Meckenstock.

Robert Aller, mořský biogeochemik na Stony Brook University, věří, že bakterie mohou také pomoci mnoha podvodním bezobratlých, včetně červů, kteří si staví nory, které umožňují pronikání okysličené vody do bahna. Našel kabelové bakterie trčící po stranách šnekových trubic, pravděpodobně proto, aby mohly použít tento kyslík k ukládání elektronů. Tito červi jsou zase chráněni před toxickým sirovodíkem. „Baktérie činí [noru] obyvatelnější,“říká Aller, který popsal odkazy v článku z července 2019 v Science Advances.

Mikrobi také mění vlastnosti špíny, říká Saira Malkinová, ekoložka z Center for Environmental Sciences University of Maryland. "Jsou obzvláště efektivní… ekosystémoví inženýři." Kabelové bakterie „rostou jako požár,“říká; Na přílivových ústřicových útesech zjistila, že jeden krychlový centimetr bahna může obsahovat 2 859 metrů kabelů, které upevňují částice na místě, což možná činí sediment odolnější vůči mořským organismům.

Bakterie také mění chemii špíny, takže vrstvy blíže k povrchu jsou zásaditější a hlubší vrstvy kyselejší, zjistil Malkin. Takové gradienty pH mohou ovlivnit „četné geochemické cykly“, včetně cyklů spojených s arsenem, manganem a železem, řekla, což vytváří příležitosti pro další mikroby.

Vzhledem k tomu, že obrovské části planety jsou pokryty bahnem, vědci říkají, že bakterie spojené s kabely a nanodráty budou mít pravděpodobně dopad na globální klima. Například nanovláknové bakterie mohou odebírat elektrony z organických materiálů, jako jsou mrtvé rozsivky, a poté je předávat dalším bakteriím, které produkují metan, silný skleníkový plyn. Za různých okolností mohou kabelové bakterie snížit produkci metanu.

V nadcházejících letech „budeme svědky širokého uznání důležitosti těchto mikrobů pro biosféru,“říká Malkin. Něco málo přes deset let poté, co si Nielsen všiml záhadného mizení sirovodíku z Aarhuského bahna, říká: "Je závratné pomyslet na to, s čím tady máme co do činění."

Další na řadě: telefon napájený mikrobiálními dráty?

Průkopníci elektrických mikrobů rychle přemýšleli o tom, jak tyto bakterie využít.„Teď, když víme, že evoluce dokázala vytvořit elektrické dráty, byla by škoda, kdybychom je nepoužili,“říká Lars Peter Nielsen, mikrobiolog z University of Aarhus.

Jednou z možných aplikací je detekce a kontrola znečišťujících látek. Zdá se, že kabelovým mikrobům se daří v přítomnosti organických sloučenin, jako je ropa, a Nielsen a jeho tým testují možnost, že množství kabelových bakterií signalizuje přítomnost neobjeveného znečištění ve vodonosných vrstvách. Bakterie nedegradují přímo olej, ale mohou oxidovat sulfid produkovaný jinými olejovými bakteriemi. Mohou také pomoci s úklidem; dešťové srážky se rychleji zotavují z kontaminace ropou, když je kolonizují kabelové bakterie, uvedla další výzkumná skupina v lednu v časopise Water Research. Ve Španělsku třetí tým zkoumá, zda mohou nanovláknové bakterie urychlit čištění znečištěných mokřadů. A ještě předtím, než byly bakterie založené na nanovláknech elektrické, ukázaly příslib dekontaminace jaderného odpadu a vodonosných vrstev kontaminovaných aromatickými uhlovodíky, jako je benzen nebo naftalen.

Elektrické bakterie mohou také dát vzniknout novým technologiím. Podle Dereka Lovleyho, mikrobiologa z University of Massachusetts (UMass), Amherst, mohou být geneticky modifikovány, aby se změnily jejich nanodráty, které pak lze odříznout a vytvořit tak páteř citlivých nositelných senzorů. "Můžeme navrhnout nanodrátky a přizpůsobit je tak, aby specificky vázaly sloučeniny, které nás zajímají." Například v květnovém čísle časopisu Nano Research z 11. května inženýr UMass Jun Yao a jejich kolegové popsali senzor na bázi nanodrátů, který detekuje amoniak v koncentracích potřebných pro zemědělské, průmyslové, environmentální a biomedicínské aplikace.

Nanodrátky, vytvořené jako film, mohou generovat elektřinu z vlhkosti ve vzduchu. Vědci se domnívají, že film generuje energii, když se mezi horním a spodním okrajem filmu objeví gradient vlhkosti. (Horní okraj je náchylnější k vlhkosti.) Jak se atomy vodíku a kyslíku ve vodě oddělují vlivem gradientu, vzniká náboj a proudí elektrony. Yao a jeho tým informovali v Nature 17. února, že takový film by mohl vytvořit dostatek energie k rozsvícení světelné diody a 17 takových zařízení spojených dohromady by mohlo napájet mobilní telefon. Tento přístup je „revoluční technologií pro generování obnovitelné, čisté a levné energie,“říká Qu Lianti, materiálový vědec z univerzity Tsinghua. (Jiní jsou opatrnější a poznamenávají, že minulé pokusy vytlačit energii z vlhkosti pomocí grafenu nebo polymerů byly neúspěšné.)

Nakonec vědci doufají, že se jim podaří využít elektrické schopnosti bakterií, aniž by se museli vypořádat s vybíravými mikroby. Catch například přesvědčil běžnou laboratorní a průmyslovou bakterii Escherichia coli k výrobě nanodrátů. To by mělo výzkumníkům usnadnit hromadnou výrobu struktur a studium jejich praktických aplikací.