Именно так можно охарактеризовать открытие известного американского микробиолога, профессора биофизики, биохимии и структурной биологии Дэниэла Портного и его коллег из Университета Калифорнии в Беркли (США). Работа американских ученых стала очередным шагом в решении одной из актуальных научных задач современности: разработки технологий производства электроэнергии из бактерии.
Как получить энергию и выжить без кислорода?
Идея использования микроорганизмов для обеспечения человечества электрической энергией не является новой. Существует технология, основанная на принципе микробной топливной ячейки. Суть ее в том, что окисляющие органику бактерии, специально помещенные между двумя электродами, выталкивают (как и в естественных условиях) электроны и создают разницу потенциалов.
Главные минусы их использования для энергетики: указанным свойством обладает небольшая группа микроорганизмов, и они функционируют подобным образом в бескислородной среде. Получение энергии по такой схеме — это способ выживания анаэробной группы бактерий. Они существуют в тех условиях, где нет органического сырья, из которого большинство микроорганизмов извлекают микроэлементы, необходимые для своей жизнедеятельности
Чему может научить людей кишечный патоген?
Объектом исследования американских ученых стала палочковидная болезнетворная бактерия листерия. Она находится в пищеварительной системе человеческого организма, отлично выживает в кислородной, бескислородной среде (потому может паразитировать внутриклеточно) и получает необходимую для себя энергию благодаря процессу сбраживания питательных веществ.
Листерии, помещенные в процессе исследований в искусственные условия биохимической камеры и лишенные привычной среды обитания, генерировали электрический ток. Науке давно известно, что в человеческом организме они восстанавливают трехвалентное железо до двухвалентного. И недавно открытое учеными новое свойство патогенных микроорганизмов — внеклеточный перенос электронов — стало настоящей сенсацией.
Как решают бактерии свою проблему?
Информация об исследовании Дэниэла Портного и его коллег-ученых была опубликована в еженедельном научном британском журнале «Nature». Она привлекла особое внимание аудитории издания международного уровня еще и потому, что косвенно затронула проблемы выживания человеческой цивилизации и ее зависимости от энергоресурсов. Дело в том, что механизмы передачи электроэнергии на расстояния у людей и бактерий практически одинаковые. Первые используют для получения энергии углеводороды планеты, вторые — химическую энергию биологических организмов.
И люди, и бактерии владеют умением перемещать электрические заряды. Данное свойство присуще живым клеткам, использующим для своей жизнедеятельности молекулы АТФ (аденозинтрифосфата), Это соединение необходимо для внутриклеточной передачи энергии, оно же обеспечивает синтез химических веществ, распространение нервных импульсов, сокращение мышц и другие процессы в человеческом организме.
Как выживают и получают энергию
Молекулы АТФ — продукт различных биохимических реакций, в том числе дыхания у людей. Когда человек дышит, у определенных органических молекул отнимаются электроны, передаются дальше. Благодаря этому и другие молекулы получают возможность двигаться. Если рассматривать процесс с точки зрения анализа особенностей функционирования органов дыхания, получается: конечным пунктом назначения электронов становятся атомы кислорода, необходимые для жизнедеятельности человеческого организма и его бактерий.
Однако среди вторых есть и такие микроорганизмы, которым не требуется кислород. Они-то и передают электроны (как это делают листерии) неорганическим молекулам, в том числе оксиду железа. И здесь возникает проблема: бактериям требуются питательные вещества, но в результате их деятельности образуются в основном нерастворимые минералы. Микроорганизмы не могут использовать последние во внутриклеточных процессах. И в результате бактерии транспортируют ненужные субатомные частицы с электрическими зарядами наружу, то есть осуществляют ВПЭ (внеклеточный перенос электронов).
А дальше начинаются сплошные загадки…
Американские ученые в своей работе дали характеристику генам и белкам, с чьей помощью листерии получают необходимые питательные вещества и становятся звеньями транспортировки электронов. Как подтвердили исследования, схожими механизмами ВПЭ пользуются и другие микроорганизмы ради своего выживания. А далее Дэниэл Портной и его коллеги столкнулись с новой загадкой: у листерий электроны подхватывают биологически активные органические соединения (флавины) и переносят электроэнергию в неизвестном направлении.
Заряд энергии, согласно доказанным и недоказанным гипотезам ученых, могут получать частицы почвы, компоненты белков, разнообразные микроорганизмы. В итоге получается: бактерии способны создавать практически неограниченные объемы электроэнергии и переносить те на расстояния без строительства электростанций, применения дорогостоящих технологий беспроводной передачи энергии.
Как заставить микроорганизмы работать на человечество?
Листерии не являются единственными обитателями человеческого кишечника, способными «производить» электроэнергию. Таким свойством обладают многие молочнокислые бактерии, в том числе и лактобациллы. При этом система ВПЭ у вторых микроорганизмов довольно простая. Они не испытывают дефицита, как листерии, в питательных веществах и все же используют ВПЭ. Причина такого рационального решения: то, что люди называют удобством. Микроорганизмы используют оптимальный для себя способ функционирования. И он окажется полезным для людей, если человечество сумеет научиться получать энергию с помощью микробных топливных ячеек.
Эксперименты в данном направлении активно идут в США и других странах мира. Ранее использованные для исследований микроорганизмы требовали создания сложных условий для «производства электроэнергии», а листерии и другие схожие с ними бактерии оказались неприхотливы. Именно потому ученые считают, что у человечества есть шанс заставить работать и патогенные микроорганизмы на благо людей. На практике это означает следующее: человеческая цивилизация стала на шаг ближе к прорыву в зеленой энергетике. И другой важный аспект работы американских ученых: исследование может стать точкой отсчета для открытия новых медицинских технологий и фармакологических препаратов, с чьей помощью врачи смогут, влияя на энергетический баланс человеческого организма, излечивать болезни и продлевать людям жизнь.
