своими высокотехнологичными способностями. Недавно к ним добавилось еще одно – броня из металла, почти как у железного человека во вселенной Marvel.
Формально бактерии относятся к простым формам жизни, но их истинный потенциал и новые открываемые способности порой превосходят достижения человеческой технологии.
Теперь бактерии рода Geobacter "научились" строить броню из токсичного кобальта. Непонятно как, но бактерия не позволяет частицам кобальта проникать сквозь свою мембрану. Снаружи тела Geobacter surreducens образуется слой металла опасного для других микробов.
Бактерия как бы обволакивается металлом, создает себе подобие брони. Ученые полагают, что кобальтом дело не ограничивается, он не настолько распространен на Земле, чтобы бактерия могла полагаться только на него. Сейчас изучается, как Geobacter surreducens реагирует на другие токсичные металлы – например, кадмий.
Geobacter является первым обнаруженным организмом, способным окислять органические соединения и металлы, включая железо, радиоактивные металлы и нефтяные соединения, до экологически безвредного углекислого газа , используя оксид железа или другие доступные металлы в качестве акцепторов электронов. Также обнаружено, что виды Geobacter способны "дышать" на графитовом электроде.
Не впечатляет? Ну тогда ещё:
Ещё ранее ученые решили секвенировать геном бактерии Geobacter metallireducens, о которой известно, что эта разновидность бактерий может фактически чувствовать и определять местонахождение металлов, если это требуется.
Новые результаты исследований этих бактерий детализируют интригующую тактику поведения микроорганизмов: Сначала бактерии располагаются поблизости от металла, который служит им как источник продовольствия.
Это первые микроорганизмы, у которых была выявлена такая способность — если источник железа или марганца лежит не в непосредственной близости от них, то бактерия, которая, как полагали, неспособна к движению, может по существу взращивать у себя жгутики, которые позволяют бактерии плавать. Это знание, дает многообещающие перспективы использования этих микробов для решения проблемы загрязнения окружающей среды.
Как так получается, что металлы служат им источником энергии?
Как только бактерия достигает металла, она отращивает короткие, похожие на волосы структуры, называемые pili, которые позволяют бактерии прикреплять себя к металлическому источнику, который гарантирует ее рост и размножение.
Geobacters трансформируют металлы от растворимой формы до нерастворимой формы, так, что они оказываются больше не способны выщелачивать грунтовую воду, и, в конечном счете, загрязнять реки.
Такая способность бактерий может помочь в исследованиях по объяснению геологического феномена: массивная аккумуляция магнетизма в древних железных формациях.
Нано-проволока и MFC
Geobacter surreducens умеет создавать нанопроволоку — бактериальные нанопровода , которые в микробных топливных элементах (MFC), помогают генерировать электричество посредством внеклеточного транспорта электронов. Но, бактерия Geobacter Metallireducens производит нанопроволоку, проводящую электричество в 5000 раз лучше, чем Geobacter surreducens . Понимая разницу между этими двумя структурами, исследователи смогут создавать нанопроволоки с еще более высокой проводимостью.
Сети из нанопроволоки увеличивают выработку электроэнергии MFC с эффективной проводимостью на больших расстояниях — бактерии могут проводить электричество на расстоянии до 7 см! В частности, пили Geobacter Sourreducens обладают проводимостью, подобной металлической, и вырабатывают электрический ток на уровнях, сопоставимых с уровнями синтетических металлических наноструктур. Когда бактериальные штаммы подвергаются генетическим манипуляциям для ускорения образования нанопроволок, обычно наблюдается более высокий выход электричества.
Покрытие нанопроволок оксидами металлов также способствует повышению электропроводности. Передача электронов на большие расстояния через сеть пилей позволяет жизнеспособным клеткам, которые не находятся в прямом контакте с анодом, вносить вклад в поток электронов. Таким образом, повышенное токо-производство в MFC наблюдается в более толстых биопленках.
Микробный топливный элемент (MFC) - это устройство, которое преобразует химическую энергию в электрическую .MFC привлекательны для технологий, которые требуют только низкого энергопотребления, но в которых замена батарей может быть нецелесообразной, например, в беспроводных сенсорных сетях.
Беспроводные датчики, питаемые от микробных топливных элементов, могут, например, использоваться для дистанционного мониторинга в различных датчиках.
Электричество из воздуха
Ещё, Geobacter уличили в способности генерировать электричество из воздуха. Микроорганизм, относящийся к роду Geobacter привел исследователей в восторг из-за способности производить магнетит в анаэробных условиях, а со временем выяснилось, что он может производить электричество из воздуха!
Это явление было обнаружено почти случайно, когда инженер Jun Yao из Университета штата Массачусетс заметил, что устройство под названием Air-gen, которое состоит из тонкого слоя белковых нанопроволок толщиной 7 микрометров, расположенных между двумя электродами, подвергнутыми воздействию воздуха, способно проводить электричество. Из-за этого воздействия пленка из нанопроволоки способна адсорбировать водяной пар, присутствующий в атмосфере, позволяя электрическому току течь между электродами. Заряд, вероятно, создается градиентом влаги. Air-ген вырабатывает постоянное напряжение ок. 0,5 вольт с силой тока около 17 микроампер на см2. Это мало энергии, но достаточно для зарядки небольших персональных устройств, таких как смартфоны или смарт-часы. Любопытно, что электричество при этом вырабатывается буквально из воздуха (влаги в воздухе).
В России
Россия тоже не отстает. ГТРК "Кубань" рассказала о исследовании живых батареек сотрудниками Кубанского государственного университета — они считают, что микроорганизмы Geobacter, из ила краснодарских водоёмов, могут стать эффективной и надежной альтернативой небольшим элементам питания.
— На данный момент наше устройство позволяет достичь удельной мощности до 5,5 милливатт на квадратный метр до примерно 39 милливатт на квадратный метр. 39 милливатт — это максимальный потолок, достигаемый в европейских лабораториях показателей. Практическое использование устройства — создание систем освещения, слаботочного освещения или декоративного освещения, — прокомментировал Андрей Самков, научный сотрудник.
Находясь в анодной камере без доступа кислорода, эти микробы отрывают электроны от субстрата питания и передают их на анод. Таким образом, создание электродвижущей силы является побочным продуктом естественного жизненного цикла этих микробов.
Биокомпьютеры?
В США учёные создали устройство хранения информации на основе белковых нанонитей и металлических электродов, что может стать элементной базой для биокомпьютера, работающего подобно человеческому мозгу и со сверхнизким энергопотреблением. Статья об исследовании опубликована в журнале Nature Communications.
Подача напряжения на электроды — электропроводящие протеиновые нити из белков бактерии приводила к тому, что в нанонитях возникали новые разветвления. Этот процесс похож на возникновение новых связей при обучении в человеческом мозге. При этом, учёными было создано вычислительное устройство, которое может работать при уровне напряжения, что и нервная ткань человека — около 80 милливольт, тогда как большинство электронных вычислительных устройств работают при напряжении выше 1 вольта.
Это значит, по сравнению с традиционным компьютером это устройство обладает способностью к обучению, которая не была задана изначально программным обеспечением, отмечают учёные.
Дальнейшее прикладное значение Geobacter включает биоэлектронику. Помня об устойчивых ресурсах, ученые предложили в будущем использовать биопленки Geobacter в качестве платформы для функционирующих под водой транзисторов и суперконденсаторов, способных к самообновлению энергии.
20 апреля 2020 года исследователи продемонстрировали диффузный мемристор , изготовленный из белковых нанопроволок бактерии Geobacter surreducens , который может позволить создавать искусственные нейроны. Нанопроволоки имеют ряд преимуществ по сравнению с кремниевыми нанопроводами, и мемристоры могут использоваться для прямой обработки сигналов биосенсора , для нейроморфных вычислений и прямой связи с биологическими нейронами.