Salaperäiset bakteerit tekevät sähköjohtoja

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Lars Peter Nielsenille kaikki alkoi rikkivedyn salaperäisestä katoamisesta. Mikrobiologi keräsi mustaa, haisevaa mutaa Tanskan Århusin sataman pohjalta, heitti sen suuriin lasiastioihin ja asensi paikoilleen erityisiä mikroantureita, jotka havaitsivat muutokset mudan kemiallisessa koostumuksessa.

Kokeen alussa koostumus kyllästettiin rikkivedyllä - sedimentin hajun ja värin lähteellä. Mutta 30 päivää myöhemmin yksi likanauha muuttui vaaleaksi, mikä osoittaa rikkivedyn häviämisen. Lopulta mikrosensorit osoittivat, että koko yhteys oli poissa. Ottaen huomioon sen, mitä tiedemiehet tiesivät mudan biogeokemiasta, "se ei ollut ollenkaan järkevää", muistelee Nielsen Aarhusin yliopistosta.

Ensimmäinen selitys, hän sanoi, oli, että anturit olivat väärässä. Mutta syy osoittautui paljon kummallisemmaksi: soluja yhdistävät bakteerit luovat sähkökaapeleita, jotka voivat johtaa virtaa jopa 5 senttimetriä lian läpi.

Mikrobeissa ennennäkemättömän sopeutumisen ansiosta nämä niin kutsutut kaapelibakteerit voivat voittaa monien mudassa elävien organismien suuren ongelman: hapen puutteen. Sen puuttuminen yleensä estää bakteerit metaboloimasta yhdisteitä, kuten rikkivetyä, elintarvikkeeksi. Mutta kaapelit, jotka sitovat mikrobeja happirikkaisiin kerrostumiin, antavat niiden reagoida pitkiä matkoja.

Kun Nielsen kuvaili löytöä ensimmäisen kerran vuonna 2009, hänen kollegansa olivat skeptisiä. Antwerpenin yliopiston kemianinsinööri Philip Meisman muistelee ajattelevansa: "Tämä on täyttä hölynpölyä." Kyllä, tutkijat tiesivät, että bakteerit voivat johtaa sähköä, mutta eivät Nielsenin ehdottamilla etäisyyksillä. "Oli kuin omat aineenvaihduntaprosessimme voisivat vaikuttaa 18 kilometrin etäisyyteen", sanoo mikrobiologi Andreas Teske Pohjois-Carolinan yliopistosta Chapel Hillistä.

Mutta mitä enemmän tutkijat etsivät "sähköistettyä" mutaa, sitä enemmän he löysivät sitä sekä suolaisesta että makeasta vedestä. He tunnistivat myös toisen tyypin likaa rakastavan sähkömikrobin: nanolankabakteerit, yksittäiset solut, jotka kasvattavat proteiinirakenteita, jotka voivat siirtää elektroneja lyhyemmille etäisyyksille.

Näitä nanolankamikrobeja löytyy kaikkialta, myös ihmisen suussa

Löydöt pakottavat tutkijat kirjoittamaan oppikirjoja uudelleen; pohtimaan uudelleen mutabakteerien roolia keskeisten elementtien, kuten hiilen, typen ja fosforin, käsittelyssä; ja tarkastella, kuinka ne vaikuttavat vesiekosysteemeihin ja ilmastonmuutokseen.

Tiedemiehet etsivät myös käytännön sovelluksia, joissa tutkitaan kaapeleita ja nanojohtoja sisältävien bakteerien mahdollisuuksia torjua saastumista ja tehostaa elektronisia laitteita. "Näemme paljon enemmän vuorovaikutusta mikrobien sisällä ja sähköä käyttävien mikrobien välillä", Meisman sanoo. "Kutsun sitä sähköiseksi biosfääriksi."

Useimmat solut viihtyvät ottamalla elektroneja yhdestä molekyylistä, jota kutsutaan hapetukseksi, ja siirtämällä ne toiseen molekyyliin, yleensä happeen, jota kutsutaan pelkistymiseksi. Näistä reaktioista saatu energia ohjaa muita elämänprosesseja. Eukaryoottisoluissa, myös omassamme, tällaisia "pelkistys"-reaktioita tapahtuu mitokondrioiden sisäkalvolla, ja niiden väliset etäisyydet ovat pieniä - vain mikrometrejä. Tästä syystä niin monet tutkijat suhtautuivat skeptisesti Nielsenin väitteeseen, jonka mukaan kaapelibakteerit siirtävät elektroneja golfpallon kokoisen likakerroksen läpi.

Rikkivedyn katoaminen oli avain tämän todistamiseen. Bakteerit muodostavat yhdisteen mudassa hajottaen kasvijätteitä ja muita orgaanisia materiaaleja; syvemmille kerrostumille rikkivetyä kerääntyy hapen puutteen vuoksi, mikä auttaa muita bakteereja hajottamaan sitä. Rikkivetyä kuitenkin katosi Nielsenin dekantterilasiin. Lisäksi lian pinnalle ilmestyi ruosteinen sävy, joka osoitti rautaoksidin muodostumista.

Eräänä yönä herättyään Nielsen keksi oudon selityksen: entä jos mutaan hautautuneet bakteerit saattaisivat loppuun redox-reaktion ohittaen jotenkin happiköyhät kerrokset? Entä jos he sen sijaan käyttäisivät runsaasti rikkivetyä elektronien luovuttajana ja sitten ohjaisivat elektronit ylös happipitoista pintaa kohti? Siellä hapetusprosessissa muodostuu ruostetta, jos rautaa on läsnä.

Näiden elektronien kuljettajan löytäminen on osoittautunut vaikeaksi. Ensinnäkin Niels Riesgaard-Petersen Nielsenin tiimistä joutui sulkemaan pois yksinkertaisemman mahdollisuuden: sedimentin metallihiukkaset kuljettavat elektroneja pintaan ja aiheuttavat hapettumista. Hän saavutti tämän asettamalla kerroksen lasihelmiä, jotka eivät johda sähköä likapatsaan. Tästä esteestä huolimatta tutkijat löysivät edelleen sähkövirran liikkuvan mudan läpi, mikä viittaa siihen, että metallihiukkaset eivät olleet johtavia.

Selvittääkseen, kantaako kaapeli tai lanka elektroneja, tutkijat käyttivät volframilankaa vaakasuoraan leikkaukseen mutapatsaan läpi. Virta katkesi, kuin lanka olisi katkennut. Muut työt kavensivat johtimen kokoa, mikä viittaa siihen, että sen tulisi olla halkaisijaltaan vähintään 1 mikrometri. "Tämä on bakteerien normaali koko", Nielsen sanoo.

Lopulta elektronimikrokuvat paljastivat todennäköisen ehdokkaan: pitkiä, ohuita bakteerikuituja, jotka ilmestyivät lasihelmikerrokselle, joka oli työnnetty mudalla täytettyihin dekantterilasiin Aarhusin satamasta. Jokainen filamentti koostui pinosta soluja - jopa 2 000 - suljettuna uurteiseen ulkokalvoon. Tämän kalvon ja päällekkäin pinottujen solujen välisessä tilassa useat yhdensuuntaiset "langat" venyttivät lankaa koko sen pituudelta. Kaapelimainen ulkonäkö inspiroi mikrobin yleistä nimeä.

Meisman, entinen skeptikko, kääntyi nopeasti. Pian sen jälkeen, kun Nielsen ilmoitti löydöstään, Meismann päätti tutkia yhden omasta merimutanäytteestään. "Huomasin samat värimuutokset sedimentissä kuin hän näki", Meisman muistelee. "Se oli luontoäidin ohje ottaa se vakavammin."

Hänen tiiminsä alkoi kehittää työkaluja ja menetelmiä mikrobitutkimukseen, joskus työskennellen yhdessä Nielsenin ryhmän kanssa. Oli vaikeaa mennä. Bakteerisäikeillä on taipumus heikentyä nopeasti eristyksen jälkeen, eivätkä vakioelektrodit pienten johtimien virtojen mittaamiseen toimi. Mutta kun tutkijat oppivat valitsemaan yhden säikeen ja kiinnittämään nopeasti yksittäisen elektrodin, "näimme todella korkean johtavuuden", Meisman sanoo. Jännitteiset kaapelit eivät voi kilpailla kuparijohtojen kanssa, mutta ne vastaavat aurinkopaneeleissa ja matkapuhelinten näytöissä käytettyjä johtimia sekä parhaita orgaanisia puolijohteita.

Tutkijat analysoivat myös kaapelibakteerien anatomiaa. Kemiallisia kylpyjä käyttäen he eristivat lieriömäisen kuoren ja havaitsivat, että se sisälsi 17-60 rinnakkaista kuitua liimattuina yhteen. Kuori on johtumisen lähde, Meisman ja kollegat raportoivat viime vuonna Nature Communicationsissa. Sen tarkkaa koostumusta ei vielä tiedetä, mutta se voi olla proteiinipohjaista.

"Se on monimutkainen organismi", sanoo Nielsen, joka nyt johtaa Tanskan hallituksen vuonna 2017 perustamaa sähkömikrobiologiakeskusta. Yksi keskuksen ratkaisemista ongelmista on mikrobien massatuotanto viljelmässä. "Jos meillä olisi puhdas viljelmä, olisi paljon helpompaa" testata ideoita solujen aineenvaihdunnasta ja ympäristön vaikutuksesta johtumiseen, sanoo Andreas Schramm keskustasta. Viljellyt bakteerit helpottavat myös kaapelijohtojen eristämistä ja mahdollisten bioremediaatio- ja bioteknologiasovellusten testaamista.

Samalla kun tutkijat pohtivat kaapelin bakteereja, toiset tarkastelevat toista suurta sähkömudan toimijaa: nanolankapohjaisia bakteereja, jotka solujen kaapeleiksi taittamisen sijaan kasvattavat jokaisesta solusta 20-50 nm pitkiä proteiinijohtoja.

Kuten kaapelibakteerien kohdalla, kerrostumien salaperäinen kemiallinen koostumus johti nanolankamikrobien löytämiseen. Vuonna 1987 mikrobiologi Derek Lovley, joka työskentelee nyt Massachusettsin yliopistossa Amherstissä, yritti ymmärtää, kuinka lannoitteiden jätevedestä peräisin oleva fosfaatti - leväkukintoja edistävä ravinne - vapautuu Potomac-joen alta Washington DC:ssä. toimi ja alkoi kitkeä niitä pois lialta. Kasvatettuaan bakteerin, jota nykyään kutsutaan nimellä Geobacter Metallireducens, hän huomasi (elektronimikroskoopilla), että bakteerit olivat muodostaneet sidoksia lähellä olevien rautamineraalien kanssa. Hän epäili, että elektroneja kuljetettiin näitä lankoja pitkin, ja lopulta tajusi, että Geobacter organisoi kemiallisia reaktioita mudassa hapettaen orgaanisia yhdisteitä ja siirtäen elektroneja mineraaleihin. Nämä pelkistyneet mineraalit vapauttavat sitten fosforia ja muita alkuaineita.

Nielsenin tavoin Lovely kohtasi skeptismin kuvaillessaan ensimmäistä kertaa sähkömikrobiaan. Nykyään hän ja muut ovat kuitenkin rekisteröineet lähes tusinaa tyyppiä nanolankamikrobeja ja löytäneet niitä muustakin ympäristöstä kuin liasta. Monet kuljettavat elektroneja sedimentissä oleviin hiukkasiin ja niistä pois. Mutta jotkut luottavat muihin mikrobeihin vastaanottaakseen tai varastoidakseen elektroneja. Tämä biologinen kumppanuus mahdollistaa molempien mikrobien "saavutuksen uudenlaiseen kemiaan, jota mikään organismi ei voi tehdä yksin", sanoo Victoria Orfan, geobiologi California Institute of Technologysta. Kaapelibakteerit ratkaisevat redox-tarpeensa kuljettamalla niitä pitkiä matkoja happipitoiseen mutaan, mutta nämä mikrobit ovat riippuvaisia toistensa aineenvaihdunnasta tyydyttääkseen redox-tarpeensa.

Jotkut tutkijat kiistelevät edelleen siitä, kuinka bakteerien nanolangat johtavat elektroneja. Lovley ja hänen kollegansa ovat vakuuttuneita, että avain on proteiiniketjut, joita kutsutaan pilineiksi ja jotka koostuvat pyöreistä aminohapoista. Kun hän ja hänen kollegansa vähensivät renkaiden aminohappojen määrää piliinissä, nanolangoista tuli vähemmän johtavia. "Se oli todella uskomatonta", Lovely sanoo, koska on yleisesti hyväksyttyä, että proteiinit ovat eristäviä. Mutta toiset ajattelevat, että tämä kysymys ei ole kaukana ratkaistu. Esimerkiksi Orphan sanoo, että vaikka "on valtava määrä näyttöä… En silti usko, että [nanolangan johtumista] ymmärretään hyvin."

Selvää on, että sähköbakteerit ovat kaikkialla. Esimerkiksi vuonna 2014 tutkijat löysivät kaapelibakteereja kolmesta hyvin erilaisesta elinympäristöstä Pohjanmerellä: vuorovesisuolasta, merenpohjan altaassa, jossa happitaso laskee lähes nollaan joinakin vuodenaikoina, ja tulvivalta mutatasangolta lähellä merta. … … ranta. (He eivät löytäneet niitä hiekkaiselta alueelta, jolla on madot, jotka muovaavat sedimenttejä ja katkaisevat kaapeleita.) Muualla tutkijat ovat löytäneet DNA-todisteita kaapelibakteereista syviltä, happiköyhiltä valtamerialtailta, kuumien lähteiden alueilla ja kylmissä olosuhteissa. roiskeet sekä mangrove- ja vuorovesipankit sekä lauhkeilla että subtrooppisilla alueilla.

Kaapelibakteereja löytyy myös makean veden ympäristöistä. Luettuaan Nielsenin artikkelit vuosina 2010 ja 2012 mikrobiologi Rainer Meckenstockin johtama ryhmä tutki uudelleen pohjaveden saastumistutkimuksen aikana Düsseldorfissa, Saksassa, poratut sedimenttiytimet. "Löysimme [kaapelibakteerit] täsmälleen siitä, mistä luulimme löytävämme ne", syvyyksistä, joissa happi oli lopussa, muistelee Mekenstock, joka työskentelee Duisburg-Essenin yliopistossa.

Nanolankabakteerit ovat vieläkin yleisempiä. Tutkijat ovat löytäneet niitä maaperästä, riisipelloista, syvistä suolista ja jopa jätevedenpuhdistamoista sekä makean veden ja meren sedimenteistä. Niitä voi esiintyä kaikkialla, missä biofilmejä muodostuu, ja biofilmien läsnäolo on lisäosoitus näiden bakteerien suuresta roolista luonnossa.

Sähkölietebakteerien laaja valikoima viittaa myös siihen, että niillä on tärkeä rooli ekosysteemeissä. Esimerkiksi estämällä rikkivedyn kertymistä kaapelibakteerit tekevät lian todennäköisesti asuttavammaksi muille elämänmuodoille. Meckenstock, Nielsen ja muut ovat löytäneet niitä meriruohon ja muiden vesikasvien juurilta tai niiden läheltä, jotka vapauttavat happea, jota bakteerit todennäköisesti käyttävät rikkivedyn hajottamiseen. Tämä puolestaan suojaa kasveja myrkyllisiltä kaasuilta. Kumppanuus "näyttää hyvin ominaiselta vesikasveille", Meckenstock sanoi.

Stony Brookin yliopiston meren biogeokemisti Robert Aller uskoo, että bakteerit voivat auttaa myös monia vedenalaisia selkärangattomia, mukaan lukien matoja, jotka rakentavat koloja, jotka päästävät happipitoista vettä pääsemään mutaan. Hän löysi kaapelibakteereja, jotka tarttuivat matoputkien reunoihin, oletettavasti siksi, että he voisivat käyttää tätä happea elektronien varastointiin. Nämä madot puolestaan suojataan myrkylliseltä rikkivedyltä. "Bakteerit tekevät [kaivosta] asuttavamman", sanoo Aller, joka kuvaili linkkejä heinäkuun 2019 artikkelissa Science Advancesissa.

Mikrobit muuttavat myös lian ominaisuuksia, sanoo ekologi Saira Malkin Marylandin yliopiston ympäristötieteiden keskuksesta. "He ovat erityisen tehokkaita… ekosysteemiinsinöörejä." Kaapelibakteerit”kasvavat kuin kulovalkea”, hän sanoo; Vuorovesi-osteririutoilla hän havaitsi, että yksi kuutiosenttimetri mutaa voi sisältää 2 859 metriä kaapeleita, jotka sementoivat hiukkaset paikoilleen, mikä mahdollisesti tekee sedimentistä kestävämmän meren eliöitä vastaan.

Bakteerit muuttavat myös lian kemiaa tehden pintaa lähempänä olevista kerroksista alkalisempia ja syvemmistä happamampia, Malkin havaitsi. Tällaiset pH-gradientit voivat vaikuttaa "lukuisiin geokemiallisiin sykleihin", mukaan lukien arseeniin, mangaaniin ja rautaan liittyvät, luoden mahdollisuuksia muille mikrobeille.

Koska suuret alueet planeetalla on mudan peitossa, tutkijoiden mukaan kaapeleihin ja nanojohtimiin liittyvät bakteerit vaikuttavat todennäköisesti globaaliin ilmastoon. Esimerkiksi nanolankabakteerit voivat ottaa elektroneja orgaanisista materiaaleista, kuten kuolleista piileistä, ja siirtää ne sitten muille bakteereille, jotka tuottavat metaania, voimakasta kasvihuonekaasua. Kaapelibakteerit voivat eri olosuhteissa vähentää metaanin tuotantoa.

Tulevina vuosina "näemme laajasti tunnustusta näiden mikrobien tärkeydestä biosfäärille", Malkin sanoo. Hieman yli kymmenen vuotta sen jälkeen, kun Nielsen huomasi rikkivedyn salaperäisen katoamisen Århusin mudasta, hän sanoo: "On huimaa ajatella, mitä täällä on tekeillä."

Seuraavaksi: mikrobijohdoilla toimiva puhelin?

Sähkömikrobien pioneerit miettivät nopeasti, kuinka näitä bakteereja voitaisiin käyttää."Nyt kun tiedämme, että evoluutio on kyennyt luomaan sähköjohtoja, olisi sääli, jos emme käyttäisi niitä", sanoo Lars Peter Nielsen, mikrobiologi Århusin yliopistosta.

Yksi mahdollinen sovellus on epäpuhtauksien havaitseminen ja valvonta. Kaapelimikrobit näyttävät viihtyvän orgaanisten yhdisteiden, kuten öljyn, läsnä ollessa, ja Nielsen ja hänen tiiminsä testaavat mahdollisuutta, että kaapelibakteerien runsaus osoittaa, että pohjavesikerroksissa on havaittamatonta saastumista. Bakteerit eivät suoraan hajota öljyä, mutta ne voivat hapettaa muiden öljymäisten bakteerien tuottaman sulfidin. Ne voivat myös auttaa siivoamisessa; sateet toipuvat nopeammin raakaöljyn saastumisesta, kun kaapelibakteerit kolonisoivat sen, toinen tutkimusryhmä raportoi tammikuussa Water Research -lehdessä. Espanjassa kolmas ryhmä tutkii, voivatko nanolankabakteerit nopeuttaa saastuneiden kosteikkojen puhdistamista. Ja jo ennen kuin nanolankapohjaiset bakteerit olivat sähköisiä, ne osoittivat lupauksen puhdistaa ydinjätteet ja aromaattisilla hiilivedyillä, kuten bentseenillä tai naftaleenilla, saastuttamat pohjavesimuodot.

Sähköbakteerit voivat myös synnyttää uusia teknologioita. Derek Lovley, mikrobiologi Massachusettsin yliopistosta (UMass), Amherst, voidaan muunnella niitä geneettisesti muuttaakseen niiden nanolankoja, jotka voidaan sitten katkaista herkkien puettavien antureiden selkärangan muodostamiseksi. "Voimme suunnitella nanolankoja ja mukauttaa niitä erityisesti sitomaan kiinnostavia yhdisteitä." Esimerkiksi Nano Researchin Lovely-numerossa 11. toukokuuta UMassin insinööri Jun Yao ja heidän kollegansa kuvasivat nanolankapohjaista anturia, joka havaitsee ammoniakin pitoisuuksina, joita tarvitaan maatalouden, teollisuuden, ympäristön ja biolääketieteen sovelluksissa.

Kalvoksi luodut nanolangat voivat tuottaa sähköä ilman kosteudesta. Tutkijat uskovat, että kalvo tuottaa energiaa, kun kalvon ylä- ja alareunojen välillä tapahtuu kosteusgradientti. (Yläreuna on herkempi kosteudelle.) Veden vety- ja happiatomien erotessa gradientin vuoksi varausta syntyy ja elektroneja virtaa. Yao ja hänen tiiminsä raportoivat Nature-lehdessä 17. helmikuuta, että tällainen kalvo voisi tuottaa tarpeeksi energiaa valodiodin sytyttämiseen, ja 17 tällaista yhteen kytkettyä laitetta voisivat antaa virtaa matkapuhelimelle. Lähestymistapa on "vallankumouksellinen teknologia uusiutuvan, puhtaan ja halvan energian tuottamiseksi", sanoo Qu Lianti, materiaalitutkija Tsinghuan yliopistosta. (Toiset ovat varovaisempia ja huomauttavat, että aiemmat yritykset puristaa energiaa kosteudesta grafeenin tai polymeerien avulla ovat epäonnistuneet.)

Lopulta tutkijat toivovat voivansa hyödyntää bakteerien sähköisiä kykyjä ilman, että heidän tarvitsee käsitellä nirsoja mikrobeja. Esimerkiksi Catch sai yleisen laboratorio- ja teollisuusbakteerin Escherichia colin tekemään nanolankoja. Tämän pitäisi helpottaa tutkijoiden rakenteita massatuotantoa ja niiden käytännön sovellusten tutkimista.