Revolver Maps

пятница, 28 октября 2016 г.

Электрическая бактерия

"There are more things in heaven and earth, Horatio, than are dreamt of in your philosophy."


Исследователи обнаружили организмы, метаболизм которых состоит в поедании и выделении... электронов. 

Может быть эти бактерии помогут нам справиться с проблемами загрязнения, очистки воды или при создании биокомпьютера...


Воткните электрод в землю и ничего не случится. Конечно, если выбрать правильное место. А если его воткнуть в ил речушки, ток потечет.


Виновником является класс микробов-электростанций, способных проводить электроны через мембраны во внешний мир. Забирая электроны у органической «пищи», такой как ацетат или молочная кислота, и передавая их металлическим соединениям вне клеточных стенок, эти бактерии «дышат» металлами, как люди или кишечная палочка дышат кислородом.

Оказывается, многие такие организмы могут дышать подобным образом и инженеры и микробиологи пытаются научиться использовать их, пытаясь заставить работать основанные на таких микробах электроды в химических датчиках, системах очистки и опреснения воды.



Электромикробиология

  Исследователи, занимающиеся «электромикробиологией» изучают два рода бактерий — Геобактерии и Shewanella oneidensis. Дерек Ловли (Derek Lovley) из университета Массачусетса, в Амхерсте, выделил их из ила реки Потомак в 1988 году, когда искал микроорганизмы, которые могут «использовать железо так, как мы используем кислород». Он обнаружил, что Геобактерии способны удалять органические загрязнения и тяжелые металлы. Они также способны уменьшать содержание оксидов железа в окружающей среде.

  Спустя годы, Ловли был привлечен Управлением военно-морских исследований для изучения того, как электроды, помещенные в морской ил, могут вырабатывать электричество — явление, которое моряки хотели использовать для питания подводных инструментов. Предоположив, что Геобактерии и подобные им организмы могут объяснить явление, Ловли дал эту тему своему аспиранту Даниелю Бонду, ныне работающему в университете Миннесоты в Сент-Поле.



Бонд, который как ребенок радовался, создавая электрические цепи, обнаружил, что в отсутствии кислорода, электрод, помещенный в морской ил, покрывается слоем бактерий, главным образом семейства Geobacteraceae. Эти бактерии действительно способны извлекать электроны из ацетата или бензоата и передавать их прямо на электрод без обычных химических посредников — производя электрических ток. Но убейте культуру и ток прекращался. (1)


Кеннет Нильсон (Kenneth Nealson), сейчас работающий в университете Южной Калифорнии, в 1988 году изучал Shewanella oneidensis MR-1 (сейчас их называют Alteromonas putrefaciens MR-1), пытаясь объяснить резкое уменьшение содержание марганца в водах озер на севере штата Нью-Йорк. (2) S. oneidensis MR-1 был одним из 20 микробов, которые он выделил, способных превращать твердый марганец в растворимый минерал. Он занялся этим микробом всего лишь из «удобства эксперимента», поскольку он мог расти в присутствии ксилорода.


Вскоре после этого, Хон Ким (Hong Kim), коллега из Кореи, предположил, что если S. oneidensis MR-1 могут проводить электроны через стенки клеток наружу, возможно, они способны работать как микробные батареи, то есть производить электрическую работу.


«Как, черт возьми, бактерия делает это?» - сказал Нильсон. - «Как они проводят электроны через мембрану, которая и создана как раз для того, чтобы электроны не проходили через неё?»
Стремление найти ответ на этот вопрос вовлекло его и его коллег в исследование, которое длилось почти четверть века.



Прекрасный маленький комплекс

Большинство хорошо изученных микроорганизмов и эукариотов используют связанные с мембраной цепи переноса электронов для превращения сахара в пригодную для использования химическую энергию. Извлекаемые из пищи электроны проходят через мембрану с помощью химических молекул-носителей. Когда это происходит, протоны накачиваются через мембрану, создавая градиент поля, выполняющий важную роль в в образовании АТФ. Электрические микробы используют этот же самый базовый процесс. Ловли объясняет отличие: «Последний финальный этап, в котором в типичном микробе или эукариоте электроны направляются в кислород внутри клетки, у них они выводятся наружу клетки».



 В S. oneidensis MR-1, этот маршрут включает богатый железом гем-протеиновый комплекс (гем — небелковая часть гемоглобина), который создает «проводки» через внешнюю мембрану. «Вы имеете что-то типа проводника, состоящего из непрерывной цепочки из 15-20 гемов,» - сказал Бонд. - «Это красивый маленький комплекс».


Геобактерия имеет сходную структуру, хотя развивалась независимо. И она может проводить свои электроны прямо внешним молекулам с помощью проводящих ниевидных структур, называемых фимбрии, которые работают как «органические проводящие полимеры», согласно Ловли. В недавнем исследовании его группа использовала электростатическую силовую микроскопию, чтобы вводит ток в фимбрии и наблюдать его распространение. Исследование показало, что электроны в фимбриях не парескакивают от носителя к носителю, как это обычно происходит в биологии, а движутся как в обычных проводниках или углеродных нанотрубках. «Я не ожидал такого,» - говорит он. - «Этот белок, однако, работает именно так». (3)


Другие бактерии, например Shewanella, используют циклические органические соединения, такие как флавинмононуклеотид, в качестве электронных челноков или используют поверхностно-связанные цитохромы.




Электрические микробы

Геобактерия и Shewanella являются верхушкой айсберга электромикробиологии. Похоже, все, что требуется, это воткнуть электрод в землю, подождать пару недель, соскрести образовавшуюся биопленку и начать выделение молекул.


Каждый организм, конечно, обладает уникальными свойствами. Как среди людей, одни выше или быстрее других, ненкторые микробы предпочитают одну еду, другие - другую, одни производят больше электронов, другие — меньше. «В зависимости от того, где бактерия находилась до того, как вы ее выделили, зависит и их активность,» - объясняет Нильсон.


Некоторые могут даже запустить электрический процесс в обратном направлении. В лаборатории Бонда обнаружили микроб, названный Mariprofundus ( название напоминает известную католическую молитву Ex profundus), который может брать электрон у электрода и передавать его кислороду — без пищи вообще. «Они создают биомассу и их метаболизм не использует ничего, кроме цепочки электронов».


Даже Shewanella может действовать таким образом, что означает, что она может расти на обеих сторонах микробного топливного элемента, генерируя электроны на аноде и потребляя их на катоде. По словам Нильсона Shewanell «...совершенный шизофреник. На аноде ее метаболизм анаэробный, а на катоде — аэробный.»


Исследователи даже нашли, что микробы могут передавать электроны другим организмам.



Энергия для новых применений

Электрически активные бактерии, похоже, способны работать без внешней энергии. «Это дает большой простор для работы инженеров,» - говорит Джийон «Джейсон» Рен из университета Колорадо в Баулдере.


Рен занимается очисткой воды, очень энерго-затратной операцией. Рен надеется, что использование «энергетических микробов» способно резко снизить расходы электроэнергии.


Другие возможные использования — опреснение воды, восстановление почв и даже биокомпьютер.


Ну а Нильсон надеется, что эти организмы пригодятся в странах третьего мира для создания возобновляемых источников питьевой воды, без роста использования энергии.


Но это уже дело не исследователей, а инженеров использовать «энергетические организмы». Они становятся все популярнее в лабораторных исследованиях.

«Это самая удивительная вещь, которую вы видели. Это не устаревает,» - говорит с присущим ему энтузиазмом Бон.


Литература:


1. Bond, D.R., Holmes, D.E., Tender, L.M., and D.R. Lovley. 2002. Electrode-reducing microorganisms harvesting energy from marine sediments. Science. 295:483-485.

2. Myers C.R. and Nealson K.H. 1988. Bacterial manganese reduction and growth with manganese oxide as the sole electron acceptor. Science, 240:1319-21.

3. Malvankar N.S., Yalcin S.E., Tuominen M.T., and Lovley D.R. 2014. Visualization of charge propagation along individual pili proteins using ambient electrostatic force microscopy. Nature Nanotechnology, doi: 10.1038/nnano.2014.236. [Epub ahead of print]

Источник: Biotechniques


Комментариев нет:

Отправить комментарий