Стратегия выживания бактерий, вырабатывающих электричество, может изменить биотехнологии

Различные микробы используют окислительно-восстановительные челноки для обмена электронами с окружающей средой через опосредованный внеклеточный перенос электронов, поддерживая анаэробное выживание.

Исследователи из Университета Райса (США) выяснили, как некоторые бактерии дышат, вырабатывая электричество, используя естественный процесс, который вытесняет электроны в окружающую среду вместо того, чтобы дышать кислородом. Результаты исследования, опубликованные в журнале Cell, могут стать основой для новых разработок в области производства экологически чистой энергии и промышленных биотехнологий.

Выяснив, как бактерии выталкивают электроны наружу, исследователи заглянули в их ранее скрытую жизнь. Эта работа, объединяющая биологию и электрохимию, закладывает основу для будущих технологий, использующих уникальные возможности этих микроскопических организмов. «Наше исследование не только решает давнюю научную загадку, но и указывает на новую и потенциально широко распространенную стратегию выживания в природе», - говорит руководитель исследования Кэролайн Аджо-Франклин.

Большинство организмов полагаются на кислород в процессе метаболизма и высвобождения энергии. Кислород служит конечным акцептором электронов в цепочке реакций, в результате которых вырабатывается энергия. Но бактерии, которые намного старше современных организмов, таких как люди и растения, выработали другие способы дыхания в условиях недостатка кислорода. Исследователи обнаружили, что некоторые бактерии используют встречающиеся в природе соединения, называемые нафтохинонами, для переноса электронов на внешние поверхности. Этот процесс, известный как внеклеточное дыхание, имитирует разрядку электрического тока в батарейках, что позволяет бактериям существовать без кислорода.

Ученые долгое время наблюдали за этим необычным способом дыхания и использовали его в биотехнологиях. Теперь же специалисты раскрыли его механизм - прорыв, который позволяет предположить, что внеклеточное дыхание может быть гораздо более распространенным в природе, чем считалось ранее. «Этот недавно открытый механизм дыхания - простой и гениальный способ осуществления метаболизма», - отмечает Аджо-Франклин. «Нафтохиноны действуют как молекулярные курьеры, перенося электроны из клетки, чтобы бактерии могли расщеплять пищевые вещества и вырабатывать энергию».

Для проверки своих выводов исследователи смоделировали рост бактерий в среде, лишенной кислорода, но богатой проводящими поверхностями. Моделирование показало, что бактерии действительно могут поддерживать свою жизнедеятельность за счет разряда электронов извне. Дальнейшие лабораторные испытания подтвердили, что бактерии, помещенные на проводящие материалы, продолжали расти и генерировать электричество, эффективно дыша через поверхности.

Этот работа углубляет понимание многогранности бактериального метаболизма и имеет далеко идущие практические последствия. Биотехнологические процессы, такие как очистка сточных вод и биопроизводство, могут быть значительно улучшены за счет более эффективного управления электронным балансом. Бактерии, вырабатывающие электричество, могут устранять дисбалансы, обеспечивая эффективную работу систем.

«Наша работа закладывает основу для использования углекислого газа в возобновляемых источниках электроэнергии, где бактерии функционируют аналогично растениям, получающим солнечный свет в процессе фотосинтеза», - говорит Аджо-Франклин. «Это открывает путь к созданию более умных и экологичных технологий, в основе которых лежит биология». Технология также может позволить использовать биоэлектронные датчики в условиях недостатка кислорода, что даст новые методы медицинской диагностики, мониторинга загрязнения окружающей среды и освоения дальнего космоса.