Titokzatos baktériumok, amelyek elektromos vezetékeket készítenek

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

Lars Peter Nielsen számára minden a hidrogén-szulfid rejtélyes eltűnésével kezdődött. A mikrobiológus összegyűjtötte a fekete, büdös iszapot a dániai Aarhus kikötőjének aljáról, nagy üvegpoharakba dobta, és speciális mikroszenzorokat helyezett be, amelyek az iszap kémiai összetételének változásait észlelték.

A kísérlet elején a készítményt hidrogén-szulfiddal telítették - az üledék szagának és színének forrása. De 30 nappal később az egyik szennyeződés csík sápadt lett, ami a hidrogén-szulfid elvesztését jelzi. Végül a mikroszenzorok azt mutatták, hogy az egész kapcsolat megszakadt. Figyelembe véve azt, amit a tudósok tudtak az iszap biogeokémiájáról, emlékszik vissza Nielsen, az Aarhusi Egyetem munkatársa, "egyáltalán nem volt értelme".

Az első magyarázat szerint az érzékelők rosszak voltak. Az ok azonban sokkal furcsábbnak bizonyult: a sejteket összekötő baktériumok olyan elektromos kábeleket hoznak létre, amelyek akár 5 centiméteres áramot is képesek vezetni a szennyeződésen keresztül.

A mikrobáknál korábban soha nem látott alkalmazkodás lehetővé teszi ezeknek az úgynevezett kábelbaktériumoknak, hogy leküzdjék a sok sárban élő organizmus számára fennálló fő problémát: az oxigénhiányt. Hiánya általában visszatartja a baktériumokat attól, hogy olyan vegyületeket metabolizáljanak, mint például a hidrogén-szulfid az élelmiszerekhez. A kábelek azonban azáltal, hogy a mikrobákat az oxigénben gazdag lerakódásokhoz kötik, lehetővé teszik számukra, hogy nagy távolságokra reagáljanak.

Amikor Nielsen 2009-ben először leírta a felfedezést, kollégái szkeptikusak voltak. Philip Meisman, az Antwerpeni Egyetem vegyészmérnöke így emlékszik vissza: "Ez teljes nonszensz." Igen, a kutatók tudták, hogy a baktériumok képesek vezetni az elektromosságot, de nem a Nielsen által javasolt távolságokon. „Olyan volt, mintha a saját anyagcsere-folyamataink 18 kilométeres távolságot is befolyásolhatnának” – mondja Andreas Teske mikrobiológus, a Chapel Hill-i Észak-Karolinai Egyetemről.

De minél több kutató kereste az "elektromos" iszapot, annál többet találtak sós és édesvízben egyaránt. Meghatározták a szennyeződést kedvelő elektromos mikrobák egy második típusát is: a nanoszálbaktériumokat, az egyes sejteket, amelyek olyan fehérjestruktúrákat növesztenek, amelyek rövidebb távolságra képesek elektronokat mozgatni.

Ezek a nanoszálas mikrobák mindenhol megtalálhatók, még az emberi szájban is

A felfedezések tankönyvek újraírására kényszerítik a kutatókat; gondolja újra az iszapbaktériumok szerepét az olyan kulcselemek feldolgozásában, mint a szén, a nitrogén és a foszfor; és áttekinti, hogyan hatnak ezek a vízi ökoszisztémákra és az éghajlatváltozásra.

A tudósok gyakorlati alkalmazásokat is keresnek, feltárják a kábeleket és nanovezetékeket tartalmazó baktériumokban rejlő lehetőségeket a környezetszennyezés elleni küzdelemben és az elektronikai eszközök energiaellátásában. "Sokkal több kölcsönhatást látunk a mikrobákon belül és az elektromosságot használó mikrobák között" - mondja Meisman. – Én elektromos bioszférának hívom.

A legtöbb sejt úgy fejlődik, hogy az egyik molekulából elektronokat vesz el, ezt a folyamatot oxidációnak nevezik, és egy másik molekulába, általában oxigénbe viszi át, amit redukciónak neveznek. Az ezekből a reakciókból nyert energia más életfolyamatokat irányít. Az eukarióta sejtekben, így a miénkben is, az ilyen "redox" reakciók a mitokondriumok belső membránján mennek végbe, és a köztük lévő távolságok kicsik - csak mikrométerek. Ez az oka annak, hogy olyan sok kutató szkeptikus volt Nielsen azon állításával kapcsolatban, hogy a kábelbaktériumok egy golflabda méretű szennyeződésrétegen keresztül mozgatják az elektronokat.

Ennek bizonyításához az eltűnő kénhidrogén volt a kulcs. A baktériumok vegyületet képeznek az iszapban, lebontják a növényi törmeléket és más szerves anyagokat; a mélyebb lerakódásokban oxigénhiány miatt felhalmozódik a hidrogén-szulfid, ami segíti a többi baktérium lebontását. A hidrogén-szulfid azonban továbbra is eltűnt a Nielsen főzőpoharaiból. Ráadásul a szennyeződés felületén rozsdás árnyalat jelent meg, ami vas-oxid képződésére utalt.

Egy éjszaka felébredve Nielsen furcsa magyarázattal állt elő: mi lenne, ha az iszapba temetett baktériumok befejeznék a redox reakciót, valahogy megkerülve az oxigénszegény rétegeket? Mi lenne, ha ehelyett a bőséges hidrogén-szulfid-készletet használnák elektrondonorként, majd az elektronokat az oxigénben gazdag felület felé vezetnék? Ott az oxidációs folyamatban rozsda képződik, ha vas van jelen.

Nehéznek bizonyult megtalálni, hogy mi hordozza ezeket az elektronokat. Először Niels Riesgaard-Petersennek, Nielsen csapatának egy egyszerűbb lehetőséget kellett kizárnia: az üledékben lévő fémrészecskék elektronokat szállítanak a felszínre, és oxidációt okoznak. Ezt úgy érte el, hogy egy réteg üveggyöngyöt helyezett be egy koszoszlopba, amely nem vezeti az elektromosságot. Ennek ellenére a kutatók továbbra is elektromos áramot találtak a sárban, ami arra utal, hogy a fémrészecskék nem vezettek.

Annak megállapítására, hogy egy kábel vagy vezeték hordoz-e elektronokat, a kutatók ezután volfrámhuzal segítségével vízszintesen átvágták az iszaposzlopot. Az áram kiment, mintha egy vezetéket vágtak volna el. Más munkák szűkítették a vezető méretét, ami azt sugallja, hogy legalább 1 mikrométer átmérőjűnek kell lennie. „Ez a baktériumok normál mérete” – mondja Nielsen.

Végül az elektronmikroszkópos felvételek egy valószínű jelöltet tártak fel: hosszú, vékony bakteriális rostokat, amelyek az Aarhusi kikötőből származó sárral teli főzőpoharakba helyezett üveggyöngyök rétegében jelentek meg. Mindegyik filament egy köteg sejtből állt - legfeljebb 2000 -, amelyeket egy bordás külső membrán zárt be. A membrán és az egymásra halmozott sejtek közötti térben több párhuzamos "huzal" feszítette a fonalat teljes hosszában. A kábelszerű megjelenés ihlette a mikroba általános elnevezését.

Meisman, a korábbi szkeptikus, gyorsan megtért. Nem sokkal azután, hogy Nielsen bejelentette felfedezését, Meismann úgy döntött, hogy megvizsgálja az egyik saját tengeri iszapmintáját. „Ugyanazokat a színváltozásokat vettem észre az üledékben, mint ő” – emlékszik vissza Meisman. – Az anyatermészet utasítása volt, hogy komolyabban vegye a dolgot.

Csapata elkezdte fejleszteni a mikrobiális kutatáshoz szükséges eszközöket és módszereket, néha együtt dolgozva Nielsen csoportjával. Nehezen ment. A bakteriális filamentumok hajlamosak gyorsan tönkremenni az elkülönítés után, és a szabványos elektródák a kis vezetők áramának mérésére nem működnek. De miután a kutatók megtanultak egyetlen szálat kiválasztani, és gyorsan felhelyezni egy egyedi elektródát, „nagyon magas vezetőképességet láttunk” – mondja Meisman. A feszültség alatt álló kábelek nem versenyezhetnek a rézvezetékekkel - mondta -, de a napelemekben és a mobiltelefon-képernyőkben használt vezetőkkel, valamint a legjobb szerves félvezetőkkel passzolnak.

A kutatók a kábelbaktériumok anatómiáját is elemezték. Vegyi fürdők segítségével izolálták a hengeres héjat, és megállapították, hogy benne 17-60 párhuzamos szál van egymáshoz ragasztva. A héj a vezetés forrása, Meisman és munkatársai számoltak be tavaly a Nature Communications-ben. Pontos összetétele még nem ismert, de fehérje alapú lehet.

„Ez egy összetett szervezet” – mondja Nielsen, aki jelenleg a dán kormány által 2017-ben létrehozott Elektromikrobiológiai Központ vezetője. A központ által megoldott problémák között szerepel a mikrobák tömeges termelése a kultúrában. „Ha tiszta tenyészetünk lenne, sokkal könnyebb lenne” tesztelni a sejtanyagcserével és a környezet vezetésre gyakorolt hatásával kapcsolatos ötleteket – mondja Andreas Schramm, a központ munkatársa. A tenyésztett baktériumok a kábelvezetékek szigetelését és a lehetséges bioremediációs és biotechnológiai alkalmazások tesztelését is megkönnyítik.

Míg a kutatók a kábelben lévő baktériumok felett töprengenek, mások az elektromos iszap másik jelentős szereplőjét vizsgálják: a nanoszál-alapú baktériumokat, amelyek ahelyett, hogy a sejteket kábelekké hajtogatnák, 20-50 nm hosszúságú fehérjehuzalokat növesztenek minden sejtből.

A kábelbaktériumokhoz hasonlóan a lerakódások titokzatos kémiai összetétele vezetett a nanoszál mikrobák felfedezéséhez. 1987-ben Derek Lovley mikrobiológus, aki jelenleg a Massachusetts Amherst Egyetemen dolgozik, megpróbálta megérteni, hogyan szabadul fel a műtrágya szennyvízéből származó foszfát – egy tápanyag, amely elősegíti az algák virágzását – a Washington DC-ben található Potomac folyó alatti üledékből. dolgozott, és elkezdte kigyomlálni őket a koszból. Miután felnevelt egyet, amelyet ma Geobacter Metallireducensnek hívnak, észrevette (elektronmikroszkóp alatt), hogy a baktériumok kötést építettek ki a közeli vasásványokkal. Gyanította, hogy elektronokat szállítanak ezeken a vezetékeken, és végül rájött, hogy a Geobacter kémiai reakciókat szervez az iszapban, oxidálja a szerves vegyületeket, és az elektronokat ásványi anyagokba adja át. Ezek a redukált ásványi anyagok ezután foszfort és más elemeket szabadítanak fel.

Nielsenhez hasonlóan Lovely is szkepticizmussal szembesült, amikor először leírta elektromos mikrobáját. Mára azonban ő és mások közel tucatféle nanoszálas mikrobát regisztráltak, és a szennyeződéstől eltérő környezetben is találták őket. Sokan elektronokat szállítanak az üledékben lévő részecskékhez és onnan. Néhányan azonban más mikrobákra támaszkodnak az elektronok fogadására vagy tárolására. Ez a biológiai partnerség lehetővé teszi mindkét mikrobának, hogy "egy olyan újfajta kémiában vegyen részt, amelyet egyetlen szervezet sem képes egyedül elvégezni" - mondja Victoria Orfan, a California Institute of Technology geobiológusa. Míg a kábelbaktériumok úgy oldják meg redox szükségleteiket, hogy nagy távolságokra oxigénnel dúsított iszapba szállítják őket, ezek a mikrobák egymás anyagcseréjétől függenek, hogy kielégítsék redox szükségleteiket.

Egyes kutatók még mindig vitatkoznak arról, hogy a bakteriális nanoszálak hogyan vezetik az elektronokat. Lovley és munkatársai meg vannak győződve arról, hogy a kulcs a fehérjeláncok, az úgynevezett pilinek, amelyek körkörös aminosavakból állnak. Amikor kollégáival csökkentették a gyűrűs aminosavak mennyiségét a pilinben, a nanohuzalok kevésbé vezetőképesek lettek. „Igazán csodálatos volt” – mondja Lovely, mert általánosan elfogadott, hogy a fehérjék szigetelők. Mások azonban úgy gondolják, hogy ez a kérdés még messze van a megoldástól. Orphan például azt mondja, hogy bár "elsöprő bizonyítékok állnak rendelkezésre… még mindig nem hiszem, hogy [a nanohuzal vezetése] jól érthető".

Az világos, hogy elektromos baktériumok mindenhol jelen vannak. 2014-ben például a tudósok kábelbaktériumokat fedeztek fel három nagyon különböző élőhelyen az Északi-tengeren: egy árapály-sómocsárban, egy tengerfenéki medencében, ahol az oxigénszint bizonyos évszakokban majdnem nullára esik, és egy elárasztott, sáros síkságon a tenger közelében. … partra. (Nem olyan homokos területen találták őket, ahol férgek laknak, amelyek hordalékot kavargatnak és megzavarják a kábeleket.) Másutt kutatók találtak DNS bizonyítékot a kábelbaktériumokra mély, oxigénszegény óceáni medencékben, meleg forrásterületeken és hideg körülmények között. kiömlések, valamint mangrove- és árapály-partok mérsékelt és szubtrópusi régiókban.

A kábelbaktériumok édesvízi környezetben is megtalálhatók. A Nielsen 2010-es és 2012-es cikkeinek elolvasása után a Rainer Meckenstock mikrobiológus vezette csoport újra megvizsgálta a németországi düsseldorfi talajvízszennyezési felmérés során fúrt üledékmagokat. „Pontosan ott találtuk [a kábelbaktériumot], ahol azt hittük, hogy megtaláljuk őket” olyan mélységekben, ahol az oxigén kimerült – emlékszik vissza Mekenstock, aki a Duisburg-Essen Egyetemen dolgozik.

A nanowire baktériumok még szélesebb körben elterjedtek. A kutatók talajban, rizsföldeken, mélybélekben, sőt szennyvíztisztítókban, valamint édesvízi és tengeri üledékekben találták meg őket. Bárhol létezhetnek, ahol biofilmek keletkeznek, és a biofilmek mindenütt jelenléte további bizonyíték arra, hogy ezek a baktériumok milyen nagy szerepet játszhatnak a természetben.

Az elektromos iszapbaktériumok sokfélesége is arra utal, hogy fontos szerepet játszanak az ökoszisztémákban. Például azáltal, hogy megakadályozzák a hidrogén-szulfid felhalmozódását, a kábelbaktériumok valószínűleg lakhatóbbá teszik a szennyeződést más életformák számára. Meckenstock, Nielsen és mások tengeri fű és más vízi növények gyökerén vagy azok közelében találták őket, amelyek oxigént bocsátanak ki, amelyet a baktériumok valószínűleg a hidrogén-szulfid lebontására használnak. Ez viszont megvédi a növényeket a mérgező gázoktól. A partnerség "nagyon jellemzőnek tűnik a vízi növényekre" - mondta Meckenstock.

Robert Aller, a Stony Brook Egyetem tengeri biogeokémikusa úgy véli, hogy a baktériumok sok víz alatti gerinctelennek is segíthetnek, beleértve a férgeket is, amelyek olyan üregeket építenek, amelyek lehetővé teszik az oxigéndús víz bejutását az iszapba. Kábelbaktériumokat talált a féregcsövek oldalán, feltehetően azért, hogy ezt az oxigént elektronok tárolására használhassák. Ezek a férgek viszont védettek a mérgező hidrogén-szulfidtól. "A baktériumok élhetőbbé teszik [az odút]" - mondja Aller, aki a Science Advancesben megjelent 2019 júliusi cikkében leírta a linkeket.

A mikrobák a szennyeződés tulajdonságait is megváltoztatják, mondja Saira Malkin, a Marylandi Egyetem Környezettudományi Központjának ökológusa. "Különösen hatékonyak… ökoszisztéma-mérnökök." A kábelbaktériumok „futótűzként nőnek” – mondja; Az árapályos osztrigazátonyokon azt találta, hogy egy köbcentiméter iszap 2859 méter kábelt tartalmazhat, amelyek a helyükre cementálják a részecskéket, és valószínűleg ellenállóbbá teszik az üledéket a tengeri élőlényekkel szemben.

A baktériumok megváltoztatják a szennyeződés kémiáját is, így a felszínhez közelebb eső rétegek lúgosabbak, a mélyebb rétegek pedig savasabbak lesznek, állapította meg Malkin. Az ilyen pH-gradiensek „számos geokémiai ciklust” érinthetnek, beleértve az arzénnel, mangánnal és vassal kapcsolatosakat is, és lehetőséget teremtenek más mikrobák számára.

Mivel a bolygó hatalmas területeit sár borítja, a kutatók szerint a kábelekhez és nanovezetékekhez kapcsolódó baktériumok valószínűleg hatással vannak a globális éghajlatra. A nanohuzalbaktériumok például képesek elektronokat venni szerves anyagokból, például elhalt kovaföldekből, majd átadni azokat más baktériumoknak, amelyek metánt, egy erős üvegházhatású gázt termelnek. Különféle körülmények között a kábelbaktériumok csökkenthetik a metántermelést.

Az elkövetkező években „látjuk majd, hogy széles körben elismerik ezeknek a mikrobáknak a bioszférában betöltött fontosságát” – mondja Malkin. Valamivel több mint tíz évvel azután, hogy Nielsen észrevette a hidrogén-szulfid rejtélyes eltűnését az aarhusi iszapból, azt mondja: "Szédítő belegondolni, mivel is foglalkozunk itt."

Következő: mikrobiális vezetékekkel működő telefon?

Az elektromos mikrobák úttörői gyorsan elgondolkodtak ezen baktériumok felhasználásán.„Most, hogy tudjuk, hogy az evolúció képes volt elektromos vezetékeket létrehozni, kár lenne, ha nem használnánk őket” – mondja Lars Peter Nielsen, az Aarhusi Egyetem mikrobiológusa.

Az egyik lehetséges alkalmazás a szennyező anyagok kimutatása és ellenőrzése. Úgy tűnik, hogy a kábelmikrobák olyan szerves vegyületek jelenlétében fejlődnek, mint az olaj, és Nielsen és csapata azt vizsgálja, hogy a kábelbaktériumok bősége a víztartó rétegekben feltáratlan szennyeződés jelenlétét jelzi. A baktériumok közvetlenül nem bontják le az olajat, de oxidálhatják a más olajos baktériumok által termelt szulfidot. Segíthetnek a takarításban is: a csapadék gyorsabban regenerálódik a kőolajszennyeződésből, ha kábelbaktériumok kolonizálják azt – számolt be egy másik kutatócsoport januárban a Water Research folyóiratban. Spanyolországban egy harmadik csapat azt vizsgálja, hogy a nanoszálbaktériumok felgyorsíthatják-e a szennyezett vizes élőhelyek megtisztítását. És még azelőtt, hogy a nanoszál-alapú baktériumok elektromosak lettek volna, ígéretet tettek a nukleáris hulladék és az aromás szénhidrogénekkel, például benzollal vagy naftalinnal szennyezett víztartó rétegek dekontaminációjára.

Az elektromos baktériumok új technológiákat is előidézhetnek. Derek Lovley, az amhersti Massachusettsi Egyetem (UMass) mikrobiológusa szerint genetikailag módosíthatók nanovezetékeik megváltoztatása érdekében, amelyeket aztán le lehet vágni, és így érzékeny, hordható érzékelők gerincét képezhetik. "Megtervezhetünk nanohuzalokat, és adaptálhatjuk őket az érdeklődésre számot tartó vegyületek specifikus megkötésére." Például a Nano Research május 11-i Lovely számában az UMass mérnöke, Jun Yao és munkatársai egy nanovezeték-alapú érzékelőt írtak le, amely a mezőgazdasági, ipari, környezetvédelmi és orvosbiológiai alkalmazásokhoz szükséges koncentrációban észleli az ammóniát.

A filmként megalkotott nanohuzalok a levegő nedvességéből villamos energiát tudnak termelni. A kutatók úgy vélik, hogy a film akkor termel energiát, ha nedvességgradiens lép fel a film felső és alsó széle között. (A felső széle érzékenyebb a nedvességre.) Ahogy a víz hidrogén- és oxigénatomja a gradiens hatására elválik, töltés keletkezik és elektronok áramlanak. Yao és csapata február 17-én a Nature-ben számolt be arról, hogy egy ilyen film elegendő energiát tud létrehozni egy fénykibocsátó dióda megvilágításához, és 17 ilyen eszköz egymáshoz kapcsolva képes egy mobiltelefont is táplálni. A megközelítés „forradalmi technológia a megújuló, tiszta és olcsó energia előállítására” – mondja Qu Lianti, a Tsinghua Egyetem anyagtudósa. (Mások óvatosabbak, és megjegyzik, hogy a múltbeli kísérletek arra, hogy energiát préseljenek ki a nedvességből grafén vagy polimerek segítségével, sikertelenek voltak.)

A kutatók végül azt remélik, hogy kihasználhatják a baktériumok elektromos képességeit anélkül, hogy válogatós mikrobákkal kellene megküzdeniük. Catch például rávette az Escherichia coli közönséges laboratóriumi és ipari baktériumot, hogy nanovezetékeket készítsen. Ez megkönnyíti a kutatók számára a szerkezetek tömeges gyártását és gyakorlati alkalmazásuk tanulmányozását.