Исследователи обнаружили, что почвенные бактерии дышат через «гигантские трубки», сделанные из специального проводящего белка.
Для бактерий без рта и без легких дыхание немного сложнее, чем для человека. Мы вдыхаем кислород и выдыхаем углекислый газ ; Geobacter - вездесущий род бактерий, обитающих в подземных водах - поглощает органические отходы и «выдыхает» электроны, генерируя при этом крошечный элетрический ток .
Этим ненужным электронам всегда нужно куда-то идти (обычно в обильный подземный минерал, такой как оксид железа), и у Geobacter есть нетрадиционный инструмент, чтобы убедиться, что они туда попадают.
« Geobacter дышит через то, что по сути является гигантской трубкой, которая в сотни раз больше их», - сказал Live Science Нихил Малванкар, доцент Института микробиологии Йельского университета в Коннектикуте.
Эта «трубка» называется нанопроволокой. Хотя эти крошечные проводящие нити в 100 000 раз меньше ширины человеческого волоса, они способны перемещать электроны в сотни и тысячи раз длиннее тела отдельного микроба Geobacter . Благодаря этой адаптации Geobacter - одни из самых впечатляющих респираторов на Земле. («Вы не можете выдохнуть на 1000 футов [300 метров] перед собой, не так ли?» - сказал Малванкар).
В любой момент времени миллиарды бактерий гудят электричеством под морским дном. Теперь, в новом исследовании, опубликованном 17 августа в журнале Nature Chemical Biology , Мальванкар и его коллеги выяснили, как объединить эту энергию в мощную микробную энергосистему.
Используя передовые методы микроскопии, исследователи обнаружили «секретную молекулу», которая позволяет Geobacter дышать на чрезвычайно большие расстояния, ранее невиданные для бактерий . Команда также обнаружила, что, стимулируя колонии Geobacter электрическим полем, микробы проводят электричество в 1000 раз эффективнее, чем в естественной среде.
По словам исследователей, понимание этих врожденных электрических адаптаций может стать решающим шагом в превращении колоний Geobacter в живые, дышащие батареи.
«Мы считаем, что это [открытие] можно использовать для создания электроники из бактерий под вашими ногами», - сказал Малванкар.
Самый шокирующий микроб
По словам авторов исследования, у себя дома глубоко под землей, в сырой почве с недостатком кислорода, Geobacter может выжить в суровых условиях, в отличие от немногих других микробов. Нанопроволоки, которые позволяют им дышать в отсутствие кислорода , имеют решающее значение для поддержания жизни микробов Geobacter в земле, где акцепторы электронов, такие как оксид железа, редко находятся на расстоянии более нескольких миллионных долей метра. Однако колонии Geobacter, выращенные в лаборатории, не всегда могут позволить себе роскошь жить рядом с обильными минералами.
В предыдущем иследований Мальванкар и его коллеги обнаружили, что выращенные в лаборатории микробы Geobacter sulfurereducens демонстрируют еще один хитрый трюк для выживания при воздействии на небольшой электрод или диск, который проводит электричество. Под воздействием электрического поля микробы собираются в плотные биопленки - взаимосвязанные груды из сотен отдельных микробов, перемещая электроны через единую общую сеть.
«Они складываются, как многоэтажные квартиры, в сотни этажей», - сказал Малванкар. «И все они могут использовать одну и ту же электрическую сеть, постоянно сбрасывая электроны».
Большой вопрос, который волновал Мальванкара и его коллег, заключается в том, как микробы на «сотом этаже многоэтажки», как он выразился, могут стрелять электронами до самого дна кучи, а затем выводиться наружу через нанопроволоку. - эффективно выдыхать электроны на расстояние, в тысячи раз превышающее длину тела исходного микроба. По словам Мальванкара, такие расстояния "ранее невидимы" для микробного дыхания и подчеркивают, насколько уникальны Geobacter , когда речь идет о выживании в суровых условиях окружающей среды.
Чтобы раскрыть секреты нанопроволоки, авторы нового исследования проанализировали культуры выращенного в лаборатории Geobacter, используя два передовых метода микроскопии. Первая, называемая атомно-силовой микроскопией высокого разрешения, собирала подробную информацию о структуре нанопроволок путем касания их поверхности чрезвычайно чувствительным механическим датчиком.
«Это похоже на чтение шрифта Брайля, но неровности составляют миллиардную долю метра», - сказала Live Science ведущий автор исследования Сибель Эбру Ялчин, научный сотрудник Йельского института микробных наук.
С помощью второго метода, называемого инфракрасной наноспектроскопией, исследователи идентифицировали определенные молекулы в нанопроволоках на основе того, как они рассеивают входящий инфракрасный свет. По словам Ялчина, с помощью этих двух методов исследователи увидели «уникальный отпечаток пальца» каждой аминокислоты в белках, составляющих фирменные нанопроволоки Geobacter .
Команда обнаружила, что при стимуляции электрическим полем Geobacter производит ранее неизвестный вид нанопроволоки, состоящей из белка под названием OmcZ. Изготовленный из крошечных металлических строительных блоков, называемых гемами, этот белок создал нанопроволоки, которые проводят электричество в 1000 раз эффективнее, чем обычные нанопровода, которые Geobacter создает в почве, позволяя микробам отправлять электроны на беспрецедентные расстояния.
«Было известно, что бактерии могут производить электричество, но никто не знал молекулярной структуры», - сказал Малванкар. «Наконец-то мы нашли эту молекулу».
Живые, дышащие батареи
Исследователи использовали колонии Geobacter для питания небольшой электроники более десяти лет. Большой плюс этих так называемых микробных топливных элементов - их долговечность. Бактерии могут восстанавливаться и воспроизводиться бесконечно долго, создавая небольшой, но постоянный электрический заряд; в одном эксперименте ВМС США, проведенном в 2008 году, исследователи использовали топливный элемент Geobacter для питания небольшого метеорологического буя на реке Потомак в Вашингтоне, округ Колумбия, в течение более девяти месяцев без каких-либо признаков ослабления. Однако заряд, обеспечиваемый этими топливными элементами, чрезвычайно мал (мощность буйка ВМФ составляет около 36 милливатт, или тысячных долей ватта), что сильно ограничивает типы электроники, которую они могут питать.
Благодаря этому новому исследованию ученые теперь знают, как манипулировать микробными нанопроводами, чтобы сделать их более прочными и проводящими. Эта информация может упростить и удешевить производство биоэлектроники, сказал Малванкар, надеясь открыть новое поколение экологически чистых батарей с питанием от бактерий.
Мы все еще далеки от того, чтобы заряжать наши iPhone горсткой Geobacter , добавил он, но мощность микроскопической электросети под нашими ногами стало немного легче понять.