Электр зымдарын жасаган сырдуу бактериялар

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2023-12-16 16:10

Ларс Питер Нильсен үчүн мунун баары күкүрт суутектин табышмактуу жоголуп кетишинен башталган. Микробиолог Даниянын Орхус портунун түбүнөн жыттуу, кара баткактарды чогултуп, чоң айнек стакандарга ыргытып, баткактын химиялык курамындагы өзгөрүүлөрдү аныктаган атайын микросенсорлорду киргизген.

Эксперименттин башталышында курамы күкүрт суутек менен каныккан - чөкмө жыттын жана түстүн булагы. Бирок 30 күндөн кийин кирдин бир тилкеси кубарып кеткен, бул күкүрттүү суутектин жоголгонун көрсөтүп турат. Акыр-аягы, микросенсорлор бүт байланыш жок экенин көрсөттү. Окумуштуулар баткактын биогеохимиясы жөнүндө билгендерин эске алып, Орхус университетинин кызматкери Нильсен "бул эч кандай мааниси жок болчу" деп эскерет.

Анын айтымында, биринчи түшүндүрмө сенсорлор туура эмес болгон. Бирок анын себеби алда канча кызык болуп чыкты: клеткаларды бириктирген бактериялар кир аркылуу 5 сантиметрге чейин ток өткөрө ала турган электр кабелдерин жаратышат.

Микробдордо мурда эч качан көрүлбөгөн адаптация бул кабелдик бактерияларга ылайда жашаган көптөгөн организмдер дуушар болгон негизги көйгөйдү: кычкылтек жетишсиздигин жеңүүгө мүмкүндүк берет. Анын жоктугу, адатта, тамак-аш үчүн, мисалы, суутек күкүрт сыяктуу кошулмаларды метаболизмге бактерияларды сактайт. Бирок кабелдер микробдорду кычкылтекке бай кендерге байлап, аларга узак аралыкта реакция кылууга мүмкүндүк берет.

2009-жылы Нилсен биринчи жолу ачылышты сүрөттөгөндө, анын кесиптештери ишенбей калышкан. Антверпен университетинин инженер-химиялык инженери Филипп Мейсман: «Бул таптакыр болбогон нерсе» деген ойду эскерет. Ооба, изилдөөчүлөр бактериялар электр тогун өткөрө аларын билишкен, бирок Нильсен сунуш кылган аралыкта эмес. Чапел Хиллдеги Түндүк Каролина университетинин микробиологу Андреас Теске: «Биздин зат алмашуу процесстери 18 километр аралыкка таасир эте алгандай болду», - дейт.

Бирок изилдөөчүлөр “электрлештирилген” ылай издеген сайын, аны тузда да, таза сууда да табышкан. Алар ошондой эле кирди сүйүүчү электр микробунун экинчи түрүн аныкташты: нано зым бактериялары, электрондорду кыска аралыкка жылдыра турган белок структураларын өстүрүүчү жеке клеткалар.

Бул нано сымдуу микробдор бардык жерде, анын ичинде адамдын оозунда кездешет

Ачылыштар изилдөөчүлөрдү окуу китептерин кайра жазууга мажбурлайт; көмүртек, азот жана фосфор сыяктуу негизги элементтерди иштетүүдө ылай бактерияларынын ролун кайра карап чыгуу; жана алардын суу экосистемаларына жана климаттын өзгөрүшүнө кандай таасир тийгизерин карап чыгуу.

Окумуштуулар ошондой эле булгануу жана электр электрондук шаймандар менен күрөшүү үчүн кабелдерди жана нано зымдарды камтыган бактериялардын потенциалын изилдеп, практикалык колдонмолорду издеп жатышат. "Биз микробдордун ичинде жана электр энергиясын колдонгон микробдордун ортосундагы көбүрөөк өз ара аракеттенишүүнү көрүп жатабыз" дейт Мейсман. - Мен муну электрдик биосфера деп атайм.

Көпчүлүк клеткалар бир молекуладан электрондорду алып, кычкылдануу деп аталган процесс жана аларды редукция деп аталган башка молекулага, адатта, кычкылтекке өткөрүп берүү менен өнүгүп жатышат. Бул реакциялардан алынган энергия башка жашоо процесстерин башкарат. Эукариоттук клеткаларда, анын ичинде биздин клеткаларда, митохондриялардын ички мембранасында мындай «калыбына келтирүү» реакциялары жүрөт жана алардын ортосундагы аралыктар кичинекей – микрометрлер гана. Мына ушундан улам көптөгөн изилдөөчүлөр Нильсендин кабелдик бактериялар гольф тобунун чоңдугундагы топурак катмары аркылуу электрондорду жылдырат деген ырастоосуна күмөн санашкан.

Күкүрттүү суутектин жок болушу муну далилдеген ачкыч болгон. Бактериялар баткакка кошулма жасап, өсүмдүк калдыктарын жана башка органикалык материалдарды талкалайт; тереңирээк кендерде кычкылтектин жетишсиздигинен күкүрттүү суутек чогулат, бул башка бактериялардын аны талкалашына жардам берет. Бирок, Нильсендин стакандарында күкүрттүү суутек дагы эле жок болгон. Анын үстүнө кирдин бетинде дат баскан түс пайда болгон, бул темир кычкылынын пайда болгонун көрсөткөн.

Бир күнү түнү ойгонгон Нильсен кызыктай түшүндүрмө ойлоп тапты: ылайга көмүлгөн бактериялар кычкылтектин начар катмарларын кандайдыр бир жол менен айланып өтүп, редокс реакциясын аяктасачы? Анын ордуна алар электрондун донору катары күкүрт суутектин мол запасын колдонушуп, андан кийин электрондорду кычкылтекке бай бетке бурушсачы? Ал жерде кычкылдануу процессинде темир бар болсо дат пайда болот.

Бул электрондорду алып жүргөн нерсени табуу кыйын болду. Биринчиден, Нильсендин командасынан Нильс Рисгаард-Петерсен жөнөкөй бир мүмкүнчүлүктү жокко чыгарышы керек болчу: чөкмөдөгү металл бөлүкчөлөрү электрондорду бетке алып чыгып, кычкылданууну пайда кылат. Ал электр тогун өткөрбөй турган айнек мончоктордун катмарын топурак мамысына киргизүү менен ишке ашырган. Бул тоскоолдукка карабастан, изилдөөчүлөр дагы эле металл бөлүкчөлөрү өткөргүч эмес деп болжолдоп, баткактан өткөн электр тогун табышты.

Кабель же зым электрондорду алып жүргөнүн билүү үчүн, изилдөөчүлөр вольфрам зымды ылай мамычасынан горизонталдуу кесүү үчүн колдонушкан. Зым кесилгендей ток өчтү. Башка иштер өткөргүчтүн көлөмүн кичирейтип, анын диаметри 1 микрометрден кем эмес болушу керек деп сунуштады. "Бул бактериялардын нормалдуу өлчөмү", - дейт Нильсен.

Акыр-аягы, электрондук микросүрөттөр болжолдуу талапкерди көрсөттү: Орхус Харборунан ылай менен толтурулган стакандарга салынган айнек мончоктордун катмарында пайда болгон узун, ичке бактериялык жипчелер. Ар бир жип 2000ге чейин клеткалардан турган, кабыргалуу сырткы кабыкча менен курчалган. Бул кабыкча менен бири-биринин үстүнө тизилген клеткалардын ортосундагы мейкиндикте көптөгөн параллелдүү «зымдар» жипти бүт узундугуна сунуп турган. Кабель сымал көрүнүшү микробдун жалпы аталышына дем берген.

Мурдагы скептик Мейсман тез эле динге өткөн. Nielsen өзүнүн ачылышын жарыялагандан көп өтпөй, Мейсманн деңиз ылайынын өзүнүн үлгүлөрүнүн бирин изилдөөнү чечти. "Мен ал көргөн чөкмөнүн түсүнүн өзгөрүшүн байкадым", - деп эскерет Мейсман. - Табият-Эненин ага олуттуураак мамиле кылуу багыты болгон.

Анын командасы микробдорду изилдөө үчүн инструменттерди жана методдорду иштеп чыга башташты, кээде Нильсендин тобу менен бирге иштешет. Баруу кыйын болду. Бактериялык жипчелер обочолонгондон кийин тез бузулат жана кичинекей өткөргүчтөрдөгү токту өлчөө үчүн стандарттуу электроддор иштебейт. Бирок изилдөөчүлөр бир жипти тандап, тез эле жеке электродду туташтырганды үйрөнгөндөн кийин, "биз чындап эле жогорку өткөргүчтүктү көрдүк" дейт Мейсман. Жандуу кабелдер жез зымдары менен атаандаша албайт, деди ал, бирок алар күн панелдеринде жана уюлдук телефон экрандарында колдонулган өткөргүчтөр менен, ошондой эле эң мыкты органикалык жарым өткөргүчтөр менен дал келет.

Окумуштуулар ошондой эле кабелдик бактериялардын анатомиясын анализдеп чыгышкан. Химиялык ванналарды колдонуп, цилиндр формасындагы кабыкты бөлүп алып, анын ичинде 17ден 60ка чейин параллелдүү жипчелер бар экенин аныкташкан. кабык өткөргүч булагы болуп саналат, Meisman жана кесиптештери Nature Communications өткөн жылы билдирди. Анын так курамы азырынча белгисиз, бирок протеинге негизделген болушу мүмкүн.

Даниянын өкмөтү тарабынан 2017-жылы түзүлгөн Электр-микробиология борборун жетектеп жаткан Нильсен: "Бул татаал организм" дейт. Борбор чечип жаткан проблемалардын арасында маданиятта микробдорду массалык турде чыгаруу да бар. Борбордон Андреас Шрамм мындай дейт: "Эгерде биз таза маданиятка ээ болсок, анда клетканын метаболизми жана чөйрөнүн өткөргүчтүккө тийгизген таасири жөнүндөгү идеяларды текшерүү оңой болмок". Маданияттуу бактериялар кабелдик зымдарды изоляциялоону жеңилдетет жана потенциалдуу биоремедиация жана биотехнологиялык колдонмолорду сынайт.

Изилдөөчүлөр кабелдеги бактериялар жөнүндө табышмакташып жатканда, башкалары электрдик баткактын дагы бир негизги оюнчусун карап жатышат: клеткаларды кабелдерге бүктөгөндүн ордуна, ар бир клеткадан 20-50 нм узундуктагы протеиндик зымдарды өстүрүүчү нано зымдарга негизделген бактериялар.

Кабелдик бактериялардай эле, кендердин сырдуу химиялык курамы нано зым микробдорунун ачылышына алып келди. 1987-жылы, азыр Массачусетс Амхерст университетинин микробиологу Дерек Ловли, Вашингтондогу Потомак дарыясынын астындагы чөкмөдөн балырлардын гүлдөшүнө көмөктөшүүчү азык - жер семирткичтердин агынды сууларынан фосфат кантип бөлүнүп чыгаарын түшүнүүгө аракет кылган. иштеп, аларды топурактан ото баштады. Азыр Geobacter Metallireducens деп аталган бирин өстүргөндөн кийин, ал (электрондук микроскоптун астында) бактериялар жакын жердеги темир минералдары менен байланыштарды өстүрүшкөнүн байкаган. Ал электрондор бул зымдар боюнча өткөрүлөт деп шектенип, акыры Geobacter ылайдагы химиялык реакцияларды уюштуруп, органикалык кошулмаларды кычкылдандырып, электрондорду минералдарга өткөрүп бергенин аныктаган. Бул кыскарган минералдар андан кийин фосфор жана башка элементтерди бөлүп чыгарат.

Нильсенге окшоп, Лавли өзүнүн электрдик микробун биринчи жолу сүрөттөп жатканда скептицизмге туш болгон. Бирок бүгүнкү күндө ал жана башкалар нано зым микробдордун онго жакын түрүн каттап, аларды кирден башка чөйрөдө табышты. Көптөгөн электрондорду чөкмөдөгү бөлүкчөлөргө алып барышат. Бирок кээ бирлери электрондорду кабыл алуу же сактоо үчүн башка микробдорго таянышат. Калифорния технология институтунун гебиологу Виктория Орфан мындай дейт: Бул биологиялык өнөктөштүк эки микробго тең химиянын жаңы түрлөрү менен алектенүүгө мүмкүндүк берет, аны эч бир организм жалгыз жасай албайт. Кабелдик бактериялар кычкылтектүү ылайга узак аралыкка ташылып, редокс муктаждыктарын чечсе, бул микробдор бири-биринин метаболизмине көз каранды болуп, редокс муктаждыктарын канааттандырышат.

Кээ бир изилдөөчүлөр дагы эле бактериялык нанозымдар электрондорду кантип өткөрөрүн талашып келишет. Ловли жана анын кесиптештери ачкыч тегерек аминокислоталардан турган пилиндер деп аталган белоктордун чынжырлары экенине ынанышат. Ал жана анын кесиптештери пилиндеги шакекчелүү аминокислоталардын көлөмүн азайтканда, нано зымдар азыраак өткөргүч болуп калды. "Бул чындап эле укмуш болду" дейт Лавли, анткени протеиндер изолятор экени жалпы кабыл алынган. Бирок башкалары бул суроону чечүүдөн алыс деп ойлошот. Мисалы, Orphan мындай дейт: "Көп далилдер бар болсо да … мен дагы деле [нанозымдын өткөрүлүшүн] жакшы түшүнгөн жокмун".

Ачык көрүнүп тургандай, электрдик бактериялар бардык жерде бар. Мисалы, 2014-жылы илимпоздор кабелдик бактерияларды Түндүк деңиздин үч түрдүү жашоо чөйрөсүндө табышты: толкундуу туздуу сазда, кээ бир мезгилде кычкылтектин деңгээли дээрлик нөлгө чейин төмөндөй турган деңиз түбүндөгү бассейнде жана деңизге жакын сел баскан ылайлуу түздүктө. … … жээк. (Аларды чөкмөлөрдү чөктүрүүчү жана кабелдерди үзгөн курттар жашаган кумдуу аймактан таба алышкан жок.) Башка жерлерде изилдөөчүлөр терең, кычкылтексиз океан бассейндеринде, ысык булак аймактарында жана суук шарттарда кабелдик бактериялардын ДНК далилдерин табышкан. мелүүн жана субтропиктик аймактарда төгүүлөр, жана мангрлар жана толкун жээктери.

Кабелдик бактериялар тузсуз суу чөйрөсүндө да кездешет.2010 жана 2012-жылдары Нильсендин макалаларын окугандан кийин, микробиолог Райнер Мекенсток жетектеген топ Германиянын Дюссельдорф шаарында жер астындагы суулардын булганышын изилдөө учурунда бургуланган чөкмө өзөктөрдү кайра карап чыгышкан. Дуйсбург-Эссен университетинде иштеген Мекенсток: «Биз [кабель бактерияларын] так биз ойлогон жерден таптык», - деп эскерет кычкылтек түгөнгөн тереңдиктен.

Нанозым бактериялары дагы кеңири таралган. Окумуштуулар аларды топурактан, күрүч талааларынан, терең ичегилерден жана ал тургай канализациялык тазалоочу курулмалардан, ошондой эле тузсуз жана деңиз чөкмөлөрүндө табышты. Алар биофильмдер пайда болгон жерде болушу мүмкүн, жана биофильмдердин бардык жерде болушу бул бактериялардын табиятта ойной турган чоң ролунун дагы бир далили.

Электрдик ылай бактерияларынын көп түрдүүлүгү алардын экосистемаларда маанилүү ролду ойноорун көрсөтүп турат. Мисалы, күкүрттүү суутектин топтолушуна жол бербөө менен, кабелдик бактериялар, кыязы, кирди башка тиричилик түрлөрү үчүн жашоого ыңгайлуу кылат. Мекенсток, Нильсен жана башкалар аларды кычкылтек бөлүп чыгаруучу деңиз чөптөрүнүн жана башка суу өсүмдүктөрүнүн тамырынан же жанынан табышкан, аны бактериялар күкүрт суутекти майдалоо үчүн колдонушат. Бул өз кезегинде өсүмдүктөрдү уулуу газдан коргойт. Өнөктөштүк "суу өсүмдүктөрүнө абдан мүнөздүү көрүнөт" деди Мекенсток.

Стони Брук университетинин деңиз биогеохимиги Роберт Аллер бактериялар суу астындагы көптөгөн омурткасыздарга, анын ичинде кычкылтектүү суунун баткакка киришине жол ачкан чуңкурларды курууга жардам бере алат деп ишенет. Ал кабелдик бактерияларды курт түтүкчөлөрүнүн капталдарына жабыштырып жатканын, кыязы, алар бул кычкылтекти электрондорду сактоо үчүн колдонушу үчүн тапкан. Өз кезегинде бул курттар уулуу суутек күкүртүнөн корголот. Аллер 2019-жылдын июлундагы Science Advances журналындагы макаласында шилтемелерди сүрөттөгөн: "Бактериялар [коргонду] жашоого ылайыктуураак кылат" дейт.

Микробдор кирдин касиетин да өзгөртөт, дейт Мэриленд университетинин айлана-чөйрөнү коргоо илимдер борборунун экологу Сайра Малкин. "Алар өзгөчө эффективдүү… экосистеманын инженерлери." Кабелдик бактериялар "өрт сыяктуу өсөт" дейт ал; Толкундуу устрица рифтеринде, ал тапты, бир куб сантиметр ылайда бөлүкчөлөрдү өз ордунда цементтеп турган 2859 метр кабелди камтышы мүмкүн, бул чөкмө деңиз организмдерине туруктуураак болушу мүмкүн.

Бактериялар ошондой эле кирдин химиясын өзгөртүп, бетке жакын катмарларды щелочтуураак, тереңирээк катмарларды кислоталуураак кылат, деп тапкан Малкин. Мындай рН градиенттери "көп сандаган геохимиялык циклдерге" таасир этиши мүмкүн, анын ичинде мышьяк, марганец жана темир менен байланышкан, ал башка микробдор үчүн мүмкүнчүлүктөрдү жаратат.

Изилдөөчүлөрдүн айтымында, планетанын кеңири аймактары ылай менен капталган, кабелдер жана нано зымдар менен байланышкан бактериялар глобалдык климатка таасирин тийгизиши мүмкүн. Нанозым бактериялары, мисалы, өлүк диатомдор сыяктуу органикалык материалдардан электрондорду алып, андан кийин аларды метанды, күчтүү парник газын өндүргөн башка бактерияларга бере алат. Ар кандай шарттарда кабелдик бактериялар метан өндүрүшүн азайтышы мүмкүн.

Жакынкы жылдарда биз бул микробдордун биосфера үчүн маанисин кеңири тааныйбыз, дейт Малкин. Нильсен Орхус баткагынан күкүрттүү суутектин табышмактуу жоголуп кеткенин байкагандан он жылдан бир аз ашык убакыт өткөндөн кийин, ал мындай дейт: «Бул жерде биз эмне менен алпурушуп жатканыбыз жөнүндө ойлонуу баш айлантат».

Кийинки: микробдук зымдар менен иштеген телефонбу?

Электрдик микробдордун пионерлери бул бактерияларды кантип колдонуу керектиги жөнүндө бат ойлонушту. Орхус университетинин микробиологу Ларс Питер Нильсен: «Эволюция электр зымдарын жарата алганын билгенден кийин, аларды колдонбосок, уят болмок», - дейт.

Мүмкүн болгон колдонмолордун бири булгоочу заттарды аныктоо жана контролдоо болуп саналат. Кабелдик микробдор мунай сыяктуу органикалык кошулмалардын катышуусунда гүлдөп жаткандай сезилет, жана Нильсен жана анын командасы кабелдик бактериялардын көптүгү суулуу горизонттордо ачыла элек булгануунун бар экенин көрсөтүү мүмкүнчүлүгүн сынап жатышат. Бактериялар майды түздөн-түз начарлатпайт, бирок башка майлуу бактериялар өндүргөн сульфидди кычкылдандырат. Алар ошондой эле тазалоого жардам бере алат; жаан-чачындар чийки мунайдын булгануусунан кабелдик бактериялар тарабынан колонияланганда тезирээк калыбына келет, деп билдирет дагы бир изилдөө тобу январь айында Water Research журналында. Испанияда үчүнчү топ нано зым бактериялары булганган саздак жерлерди тазалоону тездете алабы же жокпу, изилдеп жатат. Ал эми нано зымдарга негизделген бактериялар электрдик түзүлүшкө ээ боло электе эле, алар өзөктүк калдыктарды жана бензол же нафталин сыяктуу ароматтык углеводороддор менен булганган суулуу горизонтторду зыянсыздандыруу убадасын көрсөтүшкөн.

Электрдик бактериялар да жаңы технологияларды пайда кылышы мүмкүн. Массачусетс университетинин (UMass), Амхерсттеги микробиологу Дерек Ловлинин айтымында, алар нано зымдарын өзгөртүү үчүн генетикалык жактан өзгөртүлүшү мүмкүн, алар кийин сезгич тагынуучу сенсорлордун негизин түзүү үчүн кесилиши мүмкүн. "Биз нано зымдарды долбоорлой алабыз жана аларды кызыктырган кошулмаларды атайын байланыштырууга ылайыкташа алабыз." Мисалы, Nano Research журналынын 11-майда чыккан сүйкүмдүү санында UMass инженери Джун Яо жана алардын кесиптештери аммиакты айыл чарба, өнөр жай, экологиялык жана биомедициналык колдонмолор үчүн керектүү концентрацияларда аныктаган нано зымдарга негизделген сенсорду сүрөттөшкөн.

Пленка катары түзүлгөн нано зымдар абадагы нымдуулуктан электр энергиясын өндүрө алат. Изилдөөчүлөр пленканын үстүнкү жана астыңкы четтеринин ортосунда нымдуулук градиенти пайда болгондо, пленка энергияны пайда кылат деп эсептешет. (Жогорку чети нымдуулукка көбүрөөк дуушар болот.) Суунун суутек жана кычкылтек атомдору градиенттен улам бөлүнгөн сайын заряд пайда болуп, электрондор агып чыгат. Яо жана анын командасы 17-февраль күнү Nature журналына мындай тасма жарык берүүчү диодду жарыктандырууга жетиштүү энергияны түзө аларын жана бири-бирине туташтырылган 17 мындай түзүлүш уюлдук телефонду кубаттай аларын билдиришкен. Цинхуа университетинин материал таануучусу Цю Лианти мындай дейт: "Бул кайра жаралуучу, таза жана арзан энергияны өндүрүү үчүн революциялык технология". (Башкалары графен же полимерлерди колдонуу менен нымдуулуктан энергияны сыгып алуу аракети ийгиликсиз болгонун белгилеп, этият болушат.)

Акыр-аягы, изилдөөчүлөр микробдор менен күрөшпөстөн, бактериялардын электрдик жөндөмдүүлүгүн колдонууга үмүттөнүшөт. Мисалы, Catch жалпы лабораториялык жана өнөр жай бактериясы Escherichia coliди нано зымдарды жасоого көндүрдү. Бул изилдөөчүлөргө структураларды массалык түрдө чыгарууну жана алардын практикалык колдонуусун изилдөөнү жеңилдетет.