Eisenatmer NZZ

Микробите могат да „дишат“ метали, както ние хората, с кислорода. Това позволява почистването на замърсената почва и подпочвените води. Между изследователите избухна спор за основните механизми.

Когато микробиологът Дерек Ловли открива бактерията Geobacter в калта на река Потомак близо до Вашингтон през 1987 г., той няма представа за нейните необикновени свойства. Скоро обаче стана ясно, че Geobacter черпи енергия за метаболизма си чрез химичното редуциране на желязото: Бактерията прехвърля електрони от въглеродната си храна към железен оксид в почвата и в подпочвените води. Процесът е подобен на този при клетъчното дишане на човека. Тук се генерира енергия в биохимичен процес, като електроните се прехвърлят към кислорода, който дишаме. В Geobacter обаче желязото замества кислорода в дихателната верига - новост в биологията.

Микробите могат да „дишат“ метали точно както ние хората с кислорода. Това дава възможност за почистване на замърсени почви и подпочвени води. Между изследователите избухна спор за основните механизми.

Почистваща сила

През следващите години бяха изследвани други видове Geobacter и беше показано, че организмите могат да използват не само желязо, но и други метали за своя метаболизъм. Geobacter sulftureducens може да дарява електрони на сяра, Geobacter uraniireducens на радиоактивен уран. Това отвори възможността за използване на бактерии за почистване, например, на почвата и подпочвените води от излезли от употреба уранови мини. Geobacter прехвърля по два електрона на уранови йони, които се срещат в почвата, намалявайки ги до уранов диоксид. За разлика от урановите йони, той е трудно разтворим във вода. Той се утаява като твърдо вещество, така че е много по-трудно да се разпредели в подпочвените води и не става опасност толкова бързо. Такива процеси на почистване с използване на бактерии се наричат от експерти като биоремедиация.

От няколко години изследователите тестват силата на почистване на Geobacter на тестова площадка в Тихоокеанската национална лаборатория в Колорадо. По време на Студената война уранът от находището е използван за направата на ядрено оръжие за армията. Заводът е затворен през 1972 г., но радиоактивният материал все още присъства в подземните води и днес. С помощта на Geobacter съдържанието на уран във водата беше намалено с 90 процента в рамките на 50 дни. Тъй като бактериите така или иначе се срещат в повечето почви, беше достатъчно да се увеличи броят им чрез храненето им. Изследователите инжектират оцет в почвата като храна.

Многофункционални проводници

Как точно микробите пренасят електрони в метали отдавна не е ясно. През 2005 г. обаче изследователският екип на Ловли показа, че нишковидните протеинови проекции, известни като пили, участват в редукцията на металите.¹ Изследователите наричат пили от Geobacter „наножици“ - жици с диаметър от няколко нанометра. Дължината им обаче може да бъде няколко микрометра. Такива електропроводими протеини преди не са били известни.

Изследователите вярват, че дългият обхват на наножиците предлага на бактериите някои значителни метаболитни ползи. Едноклетъчните организми могат да използват пили по начин, подобен на начина, по който водолазът използва шнорхел: Те буквално осъществяват контакт с метални частици, които са далеч. Пили може да се разглежда и като средство за „възлагане на дишане“. Последната стъпка в дихателната верига, прехвърлянето на електрони към метален електронен акцептор, се извършва извън бактерията. Това е предимство, което не бива да се подценява, тъй като размерът на жизненоважните метални частици е толкова голям, колкото на бактерията. Бактериите не могат да абсорбират частиците толкова лесно.

Когато се вдишва уран, преносът на електрони извън клетъчното тяло също осигурява пряко оцеляването на микробите, както наскоро показаха изследователи от Мичиганския държавен университет. Те промениха клетките на Geobacter, така че да не развиват пили. След това бактериите намаляват урана в клетките, което води до тяхното унищожаване

Така че използването на пили изглежда правдоподобно. И също така е ясно, че пили всъщност провеждат електричество. Точният механизъм на проводимост все още е неизвестен, въпреки че се появи неотдавнашна статия, която Ловли и колегите му вярват, че показват, че нанопроводите провеждат електричеството по подобен начин на метала. единични пили. Резултатите показват метална проводимост, както се наблюдава при синтетични наноструктури, направени от метал или в неупорядени метали.

Скептични колеги

Въпреки това малката изследователска общност, занимаваща се с темата, остава скептична. Например Юрий Горби: Бившият постдок на Ловли наскоро започна да работи в Университета на Южна Калифорния и има сериозни съмнения, че пили всъщност могат да бъдат характеризирани като метали. Вече пада с Ловли. По време на времето си като служител в Ловли той създава термина и понятието „наножици“, казва Горби. Но морално съмнително поведение гарантира, че славата сега пада върху другите.

Днес Горби изучава и различни други бактериални щамове, за които подозира, че са проводящи пили. През 2006 г. той демонстрира такива нанопроводи за организъм, наречен Shewanella.⁴ Подобно на Geobacter, Shewanella използва дишането на желязо за своя метаболизъм. Горби подозира, че много - почти всички микроорганизми - са способни да образуват проводими протеинови нишки. По негово мнение мрежите, които свързват микроорганизмите през границите на видовете, могат да играят централна роля в много процеси: от материални цикли в почвите до болести, причинени от бактерии. Той също така вярва, че е възможно микробите да "комуникират" чрез мрежи, направени от нанопроводи и да обменят информация по подобен начин на невронните мрежи.

Нова област на изследване

В момента Горби и неговият екип се опитват да характеризират „кондуктома“ на бактериите - гените, които вероятно са необходими за проводимостта на пили. С това Горби иска да помогне на новата изследователска област на електро-микробиологията да постигне пробив. Ловли обаче поставя под съмнение идеите на Горби. Той настоява, че електропроводими пили досега са били открити само за Geobacter и отхвърля публикуваната работа върху нанопроводи в Shewanella. Дори Джим Фредриксън, тогава ръководител на отговорната изследователска група, междувременно се е отдалечил от резултатите от Shewanella, твърди Ловли.

Фредриксън енергично противоречи на това: „По това време не съм се отклонявал от нашите резултати. Подлагам на съмнение тълкуването, това са две напълно различни неща. " Доказателствата за електропроводимостта на даден материал не са достатъчни, за да се заключи, че има микробен трансфер на електрони. Друг неизвестен досега механизъм може да причини проводимост.

В тази спорна област на изследвания има много движение; засега малко изглежда сигурно или невъзможно. Във всеки случай разбирането за проводимостта на електричеството в бактериите не трябва да служи само за разширяване на академичната кула от слонова кост, съгласни са Горби и Ловли. За използване в биоремедиацията в бъдеще би могло да се използва генериране на електричество от микроби, които ядат метан, и разработване на биоелектронни компоненти, т.е.

1 Nature 435, 1098-1101 (2005); 2 PNAS 108: 15248-15252 (2011); 3 Nature Nanotechnology 6: 573-579 (2011); ⁴ PNAS 103, 11358–11363 (2006).