Elektr simlarini yasaydigan sirli bakteriyalar

2024 Muallif: Seth Attwood | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2023-12-16 16:19

Lars Piter Nilsen uchun hammasi vodorod sulfidining sirli yo'qolishi bilan boshlandi. Mikrobiolog Daniyadagi Orxus bandargohi tubidan qora, hidli loyni yig'ib, uni katta shisha stakanlarga tashladi va loyning kimyoviy tarkibidagi o'zgarishlarni aniqlaydigan maxsus mikrodatchiklarni joylashtirdi.

Tajribaning boshida kompozitsiya vodorod sulfidi bilan to'yingan - cho'kindining hidi va rangi manbai. Ammo 30 kundan keyin bitta axloqsizlik chizig'i oqarib ketdi, bu vodorod sulfidining yo'qolganini ko'rsatadi. Oxir-oqibat, mikrosensorlar butun aloqa uzilganligini ko'rsatdi. Olimlar loyning biogeokimyosi haqida bilishlarini hisobga olsak, - deb eslaydi Orxus universitetidan Nilsen, "buning hech qanday ma'nosi yo'q edi".

Uning so'zlariga ko'ra, birinchi tushuntirish sensorlar noto'g'ri bo'lgan. Ammo buning sababi ancha g'alati bo'lib chiqdi: hujayralarni bog'laydigan bakteriyalar axloqsizlik orqali 5 santimetrgacha oqim o'tkaza oladigan elektr kabellarini yaratadi.

Mikroblarda ilgari hech qachon ko'rilmagan moslashuv kabel bakteriyalari deb ataladigan loyda yashovchi ko'plab organizmlar duch keladigan asosiy muammoni - kislorod etishmasligini engish imkonini beradi. Uning yo'qligi odatda bakteriyalarni oziq-ovqat uchun vodorod sulfidi kabi birikmalarni metabolizatsiya qilishdan saqlaydi. Ammo kabellar mikroblarni kislorodga boy konlarga bog'lash orqali ularga uzoq masofalarda reaksiyaga kirishish imkonini beradi.

Nilsen 2009 yilda kashfiyotni birinchi marta tasvirlaganida, uning hamkasblari shubha bilan qarashgan. Antverpen universitetida kimyo muhandisi Filipp Meysman: "Bu mutlaqo bema'nilik" degan fikrni eslaydi. Ha, tadqiqotchilar bakteriyalar elektr tokini o'tkazishi mumkinligini bilishgan, ammo Nilsen taklif qilgan masofalarda emas. Chapel-Xilldagi Shimoliy Karolina universiteti mikrobiologi Andreas Teske shunday deydi: "Bizning metabolik jarayonlarimiz 18 kilometr masofaga ta'sir qilishi mumkin edi".

Ammo tadqiqotchilar "elektrlashtirilgan" loyni qanchalik ko'p qidirsalar, uni sho'r va chuchuk suvda shunchalik ko'p topdilar. Ular, shuningdek, axloqsizlikni yaxshi ko'radigan elektr mikroblarining ikkinchi turini aniqladilar: nano simli bakteriyalar, elektronlarni qisqaroq masofalarga siljitadigan oqsil tuzilmalarini o'stiruvchi alohida hujayralar.

Ushbu nano simli mikroblar hamma joyda, jumladan, inson og'zida ham uchraydi

Kashfiyotlar tadqiqotchilarni darsliklarni qayta yozishga majbur qiladi; uglerod, azot va fosfor kabi asosiy elementlarni qayta ishlashda loy bakteriyalarining rolini qayta ko'rib chiqish; va ular suv ekotizimlari va iqlim o'zgarishiga qanday ta'sir qilishini ko'rib chiqing.

Olimlar, shuningdek, ifloslanish va quvvat elektron qurilmalariga qarshi kurashish uchun kabellar va nanosimlarni o'z ichiga olgan bakteriyalar potentsialini o'rganib, amaliy dasturlarni qidirmoqdalar. "Biz mikroblar va mikroblar o'rtasida elektr energiyasidan foydalangan holda ko'proq o'zaro ta'sirlarni ko'rmoqdamiz", deydi Meysman. "Men uni elektr biosferasi deb atayman."

Aksariyat hujayralar bir molekuladan elektronlarni olib, oksidlanish deb ataladigan jarayon va ularni boshqa molekulaga, odatda kislorodga o'tkazish orqali rivojlanadi. Bu reaksiyalardan olingan energiya boshqa hayotiy jarayonlarni boshqaradi. Eukaryotik hujayralarda, shu jumladan o'zimiznikilarda, bunday "qaytarilish" reaktsiyalari mitoxondriyaning ichki membranasida sodir bo'ladi va ular orasidagi masofalar juda kichik - faqat mikrometrlar. Shuning uchun ko'plab tadqiqotchilar Nilsenning kabel bakteriyalari elektronlarni golf to'pi o'lchamidagi axloqsizlik qatlami orqali o'tkazishi haqidagi da'vosiga shubha bilan qarashdi.

Vodorod sulfidining yo'qolishi buni isbotlashning kaliti bo'ldi. Bakteriyalar loyda birikma hosil qiladi, o'simlik qoldiqlarini va boshqa organik moddalarni parchalaydi; chuqurroq konlarda kislorod etishmasligi tufayli vodorod sulfidi to'planadi, bu esa boshqa bakteriyalarning uni parchalanishiga yordam beradi. Biroq, vodorod sulfidi hali ham Nilsen stakanlarida g'oyib bo'ldi. Bundan tashqari, axloqsizlik yuzasida zanglagan rang paydo bo'ldi, bu temir oksidi hosil bo'lishini ko'rsatdi.

Bir kuni kechasi uyg'ongan Nilsen g'alati tushuntirish bilan chiqdi: agar loyga ko'milgan bakteriyalar kislorod kambag'al qatlamlarini chetlab o'tib, oksidlanish-qaytarilish reaktsiyasini tugatsa-chi? Buning o'rniga ular elektron donor sifatida ko'p miqdorda vodorod sulfididan foydalansalar va keyin elektronlarni kislorodga boy sirt tomon yo'naltirishsa-chi? U erda oksidlanish jarayonida temir mavjud bo'lsa, zang hosil bo'ladi.

Ushbu elektronlarni olib yuradigan narsalarni topish qiyin bo'ldi. Birinchidan, Nilsen jamoasidan Niels Risgaard-Petersen oddiyroq imkoniyatni istisno qilishi kerak edi: cho‘kindidagi metall zarrachalari elektronlarni yer yuzasiga olib chiqib, oksidlanishni keltirib chiqaradi. U bunga elektr tokini o‘tkazmaydigan shisha boncuklar qatlamini tuproq ustuniga kiritish orqali erishdi. Ushbu to'siqga qaramay, tadqiqotchilar hali ham loydan o'tayotgan elektr tokini topdilar va bu metall zarralari o'tkazuvchan emasligini ko'rsatdi.

Kabel yoki sim elektronlarni o'tkazayotganligini bilish uchun tadqiqotchilar loy ustunini gorizontal ravishda kesish uchun volfram simidan foydalanishdi. Oqim xuddi sim uzilgandek o‘chib ketdi. Boshqa ishlar o'tkazgichning o'lchamini toraytirdi, uning diametri kamida 1 mikrometr bo'lishi kerakligini ko'rsatdi. "Bu bakteriyalarning normal hajmi", deydi Nilsen.

Oxir-oqibat, elektron mikrografiyalar ehtimoliy nomzodni ko'rsatdi: Orxus bandargohidan loy bilan to'ldirilgan stakanlarga kiritilgan shisha munchoqlar qatlamida paydo bo'lgan uzun, ingichka bakterial tolalar. Har bir filament qovurg'ali tashqi membrana bilan o'ralgan hujayralar to'plamidan iborat - 2000 tagacha. Ushbu membrana va bir-birining ustiga o'rnatilgan hujayralar orasidagi bo'shliqda ko'plab parallel "simlar" ipni butun uzunligi bo'ylab cho'zdi. Kabelga o'xshash ko'rinish mikrobning umumiy nomini ilhomlantirdi.

Sobiq skeptik bo'lgan Meysman tezda o'zgardi. Nielsen o'zining kashfiyoti haqida e'lon qilganidan ko'p o'tmay, Meismann dengiz loyining o'z namunalaridan birini tekshirishga qaror qildi. "Men u ko'rgan cho'kindidagi bir xil rang o'zgarishini payqadim", deb eslaydi Meysman. "Buni jiddiyroq qabul qilish ona tabiatning ko'rsatmasi edi."

Uning jamoasi mikrobiologik tadqiqotlar uchun asboblar va usullarni ishlab chiqishni boshladi, ba'zida Nilsen guruhi bilan birgalikda ishladi. Borish qiyin edi. Bakterial filamentlar izolyatsiyadan keyin tezda yomonlashadi va kichik o'tkazgichlarda oqimlarni o'lchash uchun standart elektrodlar ishlamaydi. Ammo tadqiqotchilar bitta ipni tanlashni va tezda individual elektrodni ulashni o'rganganlaridan so'ng, "biz haqiqatan ham yuqori o'tkazuvchanlikni ko'rdik", deydi Meysman. Jonli kabellar mis simlar bilan raqobatlasha olmaydi, dedi u, lekin ular quyosh panellari va mobil telefon ekranlarida ishlatiladigan o'tkazgichlarga, shuningdek, eng yaxshi organik yarimo'tkazgichlarga mos keladi.

Tadqiqotchilar kabel bakteriyalarining anatomiyasini ham tahlil qilishdi. Kimyoviy vannalar yordamida silindrsimon qobiqni ajratib, uning ichida bir-biriga yopishtirilgan 17 dan 60 gacha parallel tolalar borligini aniqladilar. Meysman va uning hamkasblari o'tgan yili Nature Communications jurnalida xabar berishlaricha, qobiq o'tkazuvchanlik manbai hisoblanadi. Uning aniq tarkibi hali noma'lum, ammo u proteinga asoslangan bo'lishi mumkin.

"Bu murakkab organizm", deydi hozirda Daniya hukumati tomonidan 2017 yilda yaratilgan Elektro-Mikrobiologiya markaziga rahbarlik qilayotgan Nilsen. Markaz hal qiladigan muammolar qatorida madaniyatda mikroblarni ommaviy ishlab chiqarish ham bor. "Agar bizda sof madaniyat bo'lsa, hujayra metabolizmi va atrof-muhitning o'tkazuvchanlikka ta'siri haqidagi g'oyalarni sinab ko'rish ancha oson bo'lar edi", deydi markazdan Andreas Shramm. Madaniyatli bakteriyalar, shuningdek, simi simlarini izolyatsiya qilishni va bioremediatsiya va biotexnologiyaning potentsial ilovalarini sinab ko'rishni osonlashtiradi.

Tadqiqotchilar kabeldagi bakteriyalar haqida bosh qotirayotgan bir paytda, boshqalar elektr loyidagi yana bir asosiy o‘yinchini ko‘rib chiqmoqdalar: nanosimga asoslangan bakteriyalar, ular hujayralarni kabellarga yig‘ish o‘rniga har bir hujayradan 20-50 nm uzunlikdagi oqsil simlarini o‘stiradilar.

Kabel bakteriyalarida bo'lgani kabi, konlarning sirli kimyoviy tarkibi nano simli mikroblarning kashf etilishiga olib keldi. 1987 yilda mikrobiolog Derek Lovli, hozirda Massachusets Amherst universitetida, Vashingtondagi Potomak daryosi ostidagi cho'kindi jinslardan suv o'tlarining gullashiga yordam beruvchi ozuqa moddasi - o'g'it oqava suvidan fosfat qanday ajralib chiqishini tushunishga harakat qildi. ishladi va ularni tuproqdan o'tlay boshladi. Endi Geobacter Metallireducens deb ataladigan bittasini o'stirgandan so'ng, u (elektron mikroskop ostida) bakteriyalar yaqin atrofdagi temir minerallari bilan bog'langanligini payqadi. U elektronlar bu simlar bo‘ylab olib o‘tilgan deb gumon qildi va oxir-oqibat Geobacter loydagi kimyoviy reaksiyalarni, organik birikmalarni oksidlovchi va elektronlarni minerallarga o‘tkazganini aniqladi. Bu kamaygan minerallar keyin fosfor va boshqa elementlarni chiqaradi.

Nilsen singari, Lovely o'zining elektr mikrobini birinchi marta tasvirlaganida shubha bilan duch keldi. Biroq, bugungi kunda u va boshqalar nanosim mikroblarning o'nga yaqin turini qayd etib, ularni axloqsizlikdan tashqari muhitda topdilar. Ko'pchilik elektronlarni cho'kindidagi zarrachalarga va undan olib o'tadi. Ammo ba'zilari elektronlarni qabul qilish yoki saqlash uchun boshqa mikroblarga tayanadi. Kaliforniya texnologiya instituti geobiologi Viktoriya Orfanning aytishicha, bu biologik hamkorlik ikkala mikrobga ham "hech bir organizm yolg'iz o'zi qila olmaydigan yangi turdagi kimyo bilan shug'ullanishga" imkon beradi. Kabel bakteriyalari oksidlanish-qaytarilish ehtiyojlarini uzoq masofalarga kislorodli loyga tashish orqali hal qilsa, bu mikroblar oksidlanish-qaytarilish ehtiyojlarini qondirish uchun bir-birining metabolizmiga bog'liq.

Ba'zi tadqiqotchilar hali ham bakterial nanosimlar elektronlarni qanday o'tkazishi haqida bahslashmoqda. Lovli va uning hamkasblari kaliti aylana shaklidagi aminokislotalardan tashkil topgan pilinlar deb ataladigan oqsil zanjirlari ekanligiga amin. U va uning hamkasblari pilindagi halqali aminokislotalar miqdorini kamaytirganda, nanosimlar kamroq o'tkazuvchan bo'lib qoldi. "Bu juda ajoyib edi", deydi Lovely, chunki oqsillar izolyator ekanligi odatda qabul qilinadi. Ammo boshqalar bu savolni hal qilishdan uzoq deb o'ylashadi. Masalan, Yetimning aytishicha, "juda ko'p dalillar mavjud bo'lsa-da … men hali ham [nano simning o'tkazuvchanligi] yaxshi tushunilgan deb o'ylamayman".

Aniq narsa shundaki, elektr bakteriyalar hamma joyda. Masalan, 2014 yilda olimlar Shimoliy dengizning uchta bir-biridan juda farq qiladigan yashash joylarida kabel bakteriyalarini aniqladilar: suv toshqini sho'r botqog'ida, ba'zi fasllarda kislorod miqdori deyarli nolga tushadigan dengiz tubida va dengiz yaqinidagi suv bosgan loyqa tekislikda. … … qirg'oq. (Ular ularni cho'kindilarni to'kib yuboradigan va kabellarni buzadigan qurtlar yashaydigan qumli hududda topa olishmadi.) Boshqa joylarda tadqiqotchilar chuqur, kislorod kam bo'lgan okean havzalarida, issiq buloq hududlarida va sovuq sharoitlarda kabel bakteriyalarining DNK dalillarini topdilar. to'kilishlar, va mo''tadil va subtropik mintaqalarda mangrovlar va to'lqinli qirg'oqlar.

Kabel bakteriyalari chuchuk suv muhitida ham uchraydi.2010 va 2012 yillarda Nilsenning maqolalarini o'qib chiqqandan so'ng, mikrobiolog Rayner Mekkenstok boshchiligidagi guruh Germaniyaning Dyusseldorf shahrida er osti suvlarining ifloslanishini o'rganish paytida burg'ulangan cho'kindi yadrolarini qayta ko'rib chiqdi. Duisburg-Essen universitetida ishlaydigan Mekenstok eslaydi: “Biz [kabel bakteriyalarini] aynan biz ularni topamiz deb o‘ylagan joyimizda topdik”, deb eslaydi Mekenstok.

Nano simli bakteriyalar yanada keng tarqalgan. Tadqiqotchilar ularni tuproqlarda, sholi dalalarida, chuqur ichaklarda va hatto kanalizatsiya tozalash inshootlarida, shuningdek, chuchuk suv va dengiz cho'kindilarida topdilar. Ular biofilmlar hosil bo'lgan joyda mavjud bo'lishi mumkin va biofilmlarning hamma joyda ko'pligi bu bakteriyalarning tabiatda katta rol o'ynashining yana bir dalilidir.

Elektr loy bakteriyalarining xilma-xilligi ularning ekotizimlarda muhim rol o'ynashidan dalolat beradi. Masalan, vodorod sulfidining to'planishiga yo'l qo'ymaslik orqali kabel bakteriyalari axloqsizlikni boshqa hayot shakllari uchun qulayroq qiladi. Meckenstock, Nielsen va boshqalar ularni dengiz o'tlari va boshqa suv o'simliklarining ildizlarida yoki yaqinida topdilar, ular kislorodni chiqaradilar, ehtimol bakteriyalar vodorod sulfidini parchalash uchun foydalanadilar. Bu, o'z navbatida, o'simliklarni zaharli gazdan himoya qiladi. Hamkorlik "suv o'simliklari uchun juda xarakterli ko'rinadi", dedi Meckenstock.

Stony Bruk universiteti dengiz biogeokimyogi Robert Allerning fikricha, bakteriyalar ko'plab suv osti umurtqasiz hayvonlarga, jumladan kislorodli suvning loyga kirishiga imkon beruvchi chuqurchalar quruvchi qurtlarga ham yordam berishi mumkin. U simi bakteriyalarini qurt naychalarining yon tomonlariga yopishganini topdi, ehtimol ular bu kisloroddan elektronlarni saqlash uchun foydalanishlari mumkin edi. O'z navbatida, bu qurtlar zaharli vodorod sulfididan himoyalangan. 2019 yil iyul oyida Science Advances jurnalida chop etilgan maqolada havolalarni tasvirlab bergan Aller: "Bakteriyalar [buyumni] yashashga yaroqli qiladi", deydi.

Mikroblar axloqsizlikning xususiyatlarini ham o'zgartiradi, deydi Merilend universitetining Atrof-muhit fanlari markazining ekologi Sayra Malkin. "Ular ayniqsa samarali … ekotizim muhandislari." Kabel bakteriyalari "olov kabi o'sadi", deydi u; To'lqinli istiridye riflarida, u aniqladiki, bir kub santimetr loyda zarralarni joyida tsementlashtiruvchi 2859 metr kabel bo'lishi mumkin, bu cho'kindilarni dengiz organizmlariga nisbatan chidamliroq qiladi.

Bakteriyalar, shuningdek, kirning kimyoviy tarkibini o'zgartirib, sirtga yaqinroq qatlamlarni ishqoriy, chuqurroq qatlamlarni esa kislotali qiladi, deb topdi Malkin. Uning so'zlariga ko'ra, bunday pH gradientlari "ko'p sonli geokimyoviy tsikllarga" ta'sir qilishi mumkin, shu jumladan mishyak, marganets va temir bilan bog'liq bo'lganlar, boshqa mikroblar uchun imkoniyatlar yaratadi.

Sayyoramizning keng hududlari loy bilan qoplanganligi sababli, tadqiqotchilarning ta'kidlashicha, kabel va nanosimlar bilan bog'liq bakteriyalar global iqlimga ta'sir qilishi mumkin. Misol uchun, nanosim bakteriyalari o'lik diatomlar kabi organik materiallardan elektronlarni olib, keyin ularni kuchli issiqxona gazi bo'lgan metan ishlab chiqaradigan boshqa bakteriyalarga o'tkazishi mumkin. Turli sharoitlarda kabel bakteriyalari metan ishlab chiqarishni kamaytirishi mumkin.

Kelgusi yillarda biz ushbu mikroblarning biosfera uchun ahamiyatini keng miqyosda tan olishini ko'ramiz, - deydi Malkin. Nilsen Orxus loyidan vodorod sulfidining sirli tarzda yo'qolib borayotganini payqaganidan keyin o'n yildan sal o'tgach, u shunday dedi: "Bu erda biz nima bilan shug'ullanayotganimiz haqida o'ylash odamni aylantiradi".

Keyingi: mikrobial simlar bilan ishlaydigan telefonmi?

Elektr mikroblarining kashshoflari tezda bu bakteriyalardan qanday foydalanish haqida o'ylashdi."Endi biz evolyutsiya elektr simlarini yaratishga qodirligini bilganimizdan so'ng, ulardan foydalanmasak, sharmandalik bo'lar edi", deydi Orxus universiteti mikrobiologi Lars Piter Nilsen.

Mumkin bo'lgan ilovalardan biri ifloslantiruvchi moddalarni aniqlash va nazorat qilishdir. Kabel mikroblari neft kabi organik birikmalar mavjudligida ko'payadi va Nilsen va uning jamoasi kabel bakteriyalarining ko'pligi suvli qatlamlarda aniqlanmagan ifloslanish mavjudligini ko'rsatishi mumkinligini sinab ko'rmoqda. Bakteriyalar yog'ni to'g'ridan-to'g'ri buzmaydi, lekin ular boshqa yog'li bakteriyalar tomonidan ishlab chiqarilgan sulfidni oksidlashi mumkin. Ular, shuningdek, tozalashga yordam beradi; yog'ingarchilik kabel bakteriyalari tomonidan kolonizatsiya qilinganida, xom neft ifloslanishidan tezroq tiklanadi, deb xabar berdi yana bir tadqiqot guruhi yanvar oyida Water Research jurnalida. Ispaniyada uchinchi guruh nano simli bakteriyalar ifloslangan botqoq erlarni tozalashni tezlashtirishi mumkinligini tekshirmoqda. Nanosimlarga asoslangan bakteriyalar elektr bo'lishidan oldin ham, ular yadroviy chiqindilar va benzol yoki naftalin kabi aromatik uglevodorodlar bilan ifloslangan suvli qatlamlarni zararsizlantirish va'dasini ko'rsatdilar.

Elektr bakteriyalari ham yangi texnologiyalarni keltirib chiqarishi mumkin. Massachusets universiteti (UMass) mikrobiologi Derek Lovlining so'zlariga ko'ra, ular nanosimlarni o'zgartirish uchun genetik jihatdan o'zgartirilishi mumkin, keyin esa sezgir kiyiladigan sensorlarning asosini yaratish uchun kesilishi mumkin. "Biz nanosimlarni loyihalashimiz va ularni maxsus birikmalar bilan bog'lash uchun moslashtira olamiz." Misol uchun, Nano Research jurnalining 11-maydagi yoqimli sonida UMass muhandisi Jun Yao va ularning hamkasblari qishloq xo'jaligi, sanoat, atrof-muhit va biomedikal ilovalar uchun zarur bo'lgan konsentratsiyalarda ammiakni aniqlaydigan nanosimga asoslangan sensorni tasvirlab berishdi.

Plyonka sifatida yaratilgan nanosimlar havodagi namlikdan elektr energiyasi ishlab chiqarishi mumkin. Olimlarning fikricha, plyonkaning yuqori va pastki qirralari o‘rtasida namlik gradienti paydo bo‘lganda, plyonka energiya hosil qiladi. (Yuqori qirrasi namlikka ko'proq ta'sir qiladi.) Suvning vodorod va kislorod atomlari gradient tufayli ajralib chiqqanda, zaryad hosil bo'ladi va elektronlar oqadi. Yao va uning jamoasi 17-fevral kuni Nature jurnalida ma’lum qilishlaricha, bunday plyonka yorug‘lik diodini yoritish uchun yetarli energiya hosil qilishi va bir-biriga ulangan 17 ta shunday qurilma mobil telefonni quvvatlantirishi mumkin. Bu yondashuv "qayta tiklanadigan, toza va arzon energiya ishlab chiqarish uchun inqilobiy texnologiya", deydi Tsinghua universiteti materialshunosi Qu Lianti. (Boshqalar grafen yoki polimerlar yordamida namlikdan energiyani siqib chiqarishga bo'lgan o'tmishdagi urinishlar muvaffaqiyatsiz bo'lganini ta'kidlab, ehtiyotkorroq.)

Oxir oqibat, tadqiqotchilar mikroblar bilan shug'ullanmasdan, bakteriyalarning elektr qobiliyatidan foydalanishga umid qilmoqdalar. Masalan, Catch umumiy laboratoriya va sanoat bakteriyasi Escherichia coli ni nanosimlar yasashga ko'ndirgan. Bu tadqiqotchilarga tuzilmalarni ommaviy ishlab chiqarish va ularning amaliy qo'llanilishini o'rganishni osonlashtirishi kerak.