"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
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