Elektrijuhtmeid valmistavad salapärased bakterid

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Lars Peter Nielseni jaoks sai kõik alguse vesiniksulfiidi salapärasest kadumisest. Mikrobioloog kogus Taanis Aarhusi sadama põhjast musta haisva muda, viskas selle suurtesse klaaskeeduklaasidesse ja sisestas spetsiaalsed mikrosensorid, mis tuvastasid muutused muda keemilises koostises.

Katse alguses oli kompositsioon küllastunud vesiniksulfiidiga - setete lõhna ja värvi allikaga. Kuid 30 päeva pärast muutus üks mustuse riba kahvatuks, mis viitab vesiniksulfiidi kadumisele. Lõpuks näitasid mikrosensorid, et kogu ühendus oli kadunud. Arvestades seda, mida teadlased muda biogeokeemiast teadsid, meenutab Nielsen Aarhusi ülikoolist, "ei olnud sellel üldse mõtet".

Esimene selgitus oli tema sõnul see, et andurid on valed. Põhjus osutus aga palju kummalisemaks: rakke ühendavad bakterid loovad elektrikaableid, mis suudavad läbi mustuse juhtida kuni 5 sentimeetrit voolu.

Mikroobide puhul varem nähtud kohanemine võimaldab neil niinimetatud kaablibakteritel ületada paljude mudas elavate organismide suure probleemi: hapnikupuuduse. Selle puudumine takistab tavaliselt baktereid metaboliseerimast ühendeid, nagu vesiniksulfiid toiduks. Kuid kaablid, sidudes mikroobid hapnikurikaste ladestustega, võimaldavad neil pikkade vahemaade tagant reageerida.

Kui Nielsen 2009. aastal avastust esimest korda kirjeldas, olid tema kolleegid skeptilised. Antwerpeni ülikooli keemiainsener Philip Meisman meenutab, et mõtles: "See on täielik jama." Jah, teadlased teadsid, et bakterid võivad elektrit juhtida, kuid mitte Nielseni soovitatud vahemaadel. "Tundus, nagu võiks meie enda ainevahetusprotsessid mõjutada 18 kilomeetrit," ütleb mikrobioloog Andreas Teske Põhja-Carolina ülikoolist Chapel Hillis.

Kuid mida rohkem uurijad otsisid "elektrifitseeritud" muda, seda rohkem leidsid nad seda nii soolases kui ka magevees. Nad tuvastasid ka teist tüüpi mustust armastavad elektrilised mikroobid: nanotraatbakterid, üksikud rakud, mis kasvatavad valgu struktuure, mis suudavad elektrone lühema vahemaa tagant liigutada.

Neid nanotraadist mikroobe leidub kõikjal, ka inimese suus

Avastused sunnivad teadlasi õpikuid ümber kirjutama; mõelda uuesti mudabakterite rollile selliste võtmeelementide nagu süsinik, lämmastik ja fosfor töötlemisel; ning vaadata läbi, kuidas need mõjutavad veeökosüsteeme ja kliimamuutusi.

Teadlased otsivad ka praktilisi rakendusi, uurides kaableid ja nanojuhtmeid sisaldavate bakterite potentsiaali reostuse vastu võitlemisel ja elektroonikaseadmete toiteallikana. "Me näeme palju rohkem koostoimeid mikroobide sees ja elektrit kasutavate mikroobide vahel, " ütleb Meisman. "Ma nimetan seda elektriliseks biosfääriks."

Enamik rakke areneb, võttes ühest molekulist elektrone, mida nimetatakse oksüdatsiooniks, ja kandes need üle teise molekuli, tavaliselt hapnikku, mida nimetatakse redutseerimiseks. Nendest reaktsioonidest saadud energia juhib teisi eluprotsesse. Eukarüootsetes rakkudes, sealhulgas meie omades, toimuvad sellised "redoksreaktsioonid" mitokondrite sisemembraanil ja vahemaad nende vahel on imepisikesed – kõigest mikromeetrid. Seetõttu suhtusid nii mõnigi teadlane skeptiliselt Nielseni väitesse, et kaablibakterid liigutavad elektrone läbi golfipalli suuruse mustusekihi.

Kaduv vesiniksulfiid oli selle tõestamise võti. Bakterid moodustavad mudas ühendi, lagundavad taimejäänused ja muud orgaanilised materjalid; sügavamatesse ladestustesse koguneb hapnikupuuduse tõttu vesiniksulfiid, mis aitab teistel bakteritel seda lagundada. Kuid vesiniksulfiid kadus endiselt Nielseni keeduklaasidesse. Pealegi ilmus mustuse pinnale roostes toon, mis viitas raudoksiidi tekkele.

Ühel ööl ärgates tuli Nielsen välja kummalise seletusega: mis siis, kui mudasse mattunud bakterid viiksid redoksreaktsiooni lõpule, minnes hapnikuvaestest kihtidest kuidagi mööda? Mis siis, kui selle asemel kasutaksid nad elektronidoonorina rikkalikku vesiniksulfiidi ja suunaksid elektronid seejärel hapnikurikka pinna poole? Seal tekib oksüdatsiooniprotsessis raua olemasolul rooste.

Nende elektronide kandja leidmine on osutunud keeruliseks. Esiteks pidi Niels Riesgaard-Petersen Nielseni meeskonnast välistama lihtsama võimaluse: setetes olevad metalliosakesed kannavad elektrone pinnale ja põhjustavad oksüdatsiooni. Ta saavutas selle, sisestades mustuse sambasse kihi klaashelmeid, mis ei juhi elektrit. Sellest takistusest hoolimata leidsid teadlased siiski, et mudas liigub elektrivool, mis viitab sellele, et metalliosakesed ei olnud juhtivad.

Et näha, kas kaabel või traat kannab elektrone, kasutasid teadlased volframtraati, et teha mudasammas horisontaalselt läbi. Vool läks ära, nagu oleks juhe läbi lõigatud. Muud tööd vähendasid juhi suurust, mis viitab sellele, et selle läbimõõt peaks olema vähemalt 1 mikromeeter. "See on normaalne bakterite suurus, " ütleb Nielsen.

Lõpuks näitasid elektronmikrograafid tõenäolise kandidaadi: pikad õhukesed bakterikiud, mis ilmusid Aarhusi sadama mudaga täidetud keeduklaasidesse sisestatud klaashelmeste kihina. Iga hõõgniit koosnes rakkude virnast - kuni 2000 -, mis olid suletud ribilise välismembraaniga. Selle membraani ja üksteise peale virnastatud rakkude vahelises ruumis venitasid mitmed paralleelsed "juhtmed" keerme kogu selle pikkuses. Kaablilaadne välimus inspireeris mikroobi üldnimetust.

Meisman, endine skeptik, pöördus kiiresti. Vahetult pärast seda, kui Nielsen oma leiust teada andis, otsustas Meismann uurida üht omaenda meremudaproovi. "Märkasin settes samu värvimuutusi, mida ta nägi," meenutab Meisman. "See oli emakese looduse suund, et asjasse tõsisemalt suhtuda."

Tema meeskond hakkas välja töötama tööriistu ja meetodeid mikroobide uurimiseks, töötades mõnikord koos Nielseni rühmaga. Raske oli minna. Bakteriaalsed kiud kipuvad pärast isoleerimist kiiresti riknema ja standardsed elektroodid voolude mõõtmiseks väikestes juhtmetes ei tööta. Kuid kui teadlased õppisid välja valima ühe ahela ja kiiresti individuaalse elektroodi kinnitama, "nägime tõesti suurt juhtivust, " ütleb Meisman. Pinge all olevad kaablid ei suuda tema sõnul konkureerida vaskjuhtmetega, kuid need sobivad päikesepaneelide ja mobiiltelefonide ekraanide juhtmetega, aga ka parimate orgaaniliste pooljuhtidega.

Teadlased analüüsisid ka kaablibakterite anatoomiat. Keemiavannide abil eraldasid nad silindrilise kesta, leides, et selle sees oli kokku liimitud 17–60 paralleelset kiudu. Kest on juhtivuse allikas, teatasid Meisman ja kolleegid eelmisel aastal ajakirjas Nature Communications. Selle täpne koostis on siiani teadmata, kuid see võib olla valgupõhine.

"See on keeruline organism," ütleb Nielsen, kes juhib praegu Taani valitsuse 2017. aastal loodud elektromikrobioloogia keskust. Probleemide hulgas, mida keskus lahendab, on mikroobide masstootmine kultuuris. "Kui meil oleks puhas kultuur, oleks palju lihtsam" testida ideid rakkude metabolismi ja keskkonna mõju juhtivusele, ütleb Andreas Schramm keskusest. Kultiveeritud bakterid hõlbustavad ka kaablijuhtmete isoleerimist ning potentsiaalsete bioremediatsiooni ja biotehnoloogia rakenduste testimist.

Samal ajal kui teadlased mõistatavad kaablis leiduvate bakterite üle, vaatlevad teised elektrimudas teist suurt tegijat: nanojuhtmetel põhinevaid baktereid, mis rakkude kaabliteks voltimise asemel kasvatavad igast rakust 20–50 nm pikkuseid valgutraate.

Nagu kaablibakterite puhul, viis maardlate salapärane keemiline koostis nanojuhtmete mikroobide avastamiseni. 1987. aastal püüdis mikrobioloog Derek Lovley, praegu Massachusettsi Amhersti ülikoolis, mõista, kuidas väetise reoveest pärit fosfaat – vetikate õitsemist soodustav toitaine – eraldub Potomaci jõe all Washingtonis DC-s. töötasid ja hakkasid neid mustusest välja rohima. Pärast ühe, praeguse nimega Geobacter Metallireducens kasvatamist märkas ta (elektronmikroskoobi all), et bakterid olid loonud sidemed lähedalasuvate rauamineraalidega. Ta kahtlustas, et mööda neid juhtmeid kanti elektrone, ja sai lõpuks aru, et Geobacter korraldas mudas keemilisi reaktsioone, oksüdeerides orgaanilisi ühendeid ja kandes elektrone üle mineraalidele. Need vähendatud mineraalid vabastavad seejärel fosforit ja muid elemente.

Nagu Nielsen, seisis Lovely silmitsi skeptitsismiga, kui ta esimest korda kirjeldas oma elektrilist mikroobi. Tänaseks on tema ja teised aga registreerinud ligi tosinat tüüpi nanotraatmikroobe, leides neid mujalt kui mustusest. Paljud kannavad elektrone settes olevatesse osakestesse ja sealt tagasi. Kuid mõned toetuvad elektronide vastuvõtmiseks või salvestamiseks teistele mikroobidele. See bioloogiline partnerlus võimaldab mõlemal mikroobil "haarata uut tüüpi keemiasse, mida ükski organism üksi ei suuda teha", ütleb California Tehnoloogiainstituudi geobioloog Victoria Orfan. Kuigi kaablibakterid lahendavad oma redoksvajadused, kandes neid pikkade vahemaade taha hapnikurikkasse muda, sõltuvad need mikroobid üksteise ainevahetusest, et rahuldada nende redoksvajadusi.

Mõned teadlased vaidlevad siiani selle üle, kuidas bakteriaalsed nanojuhtmed elektrone juhivad. Lovley ja tema kolleegid on veendunud, et võtmeks on valkude ahelad, mida nimetatakse piliinideks ja mis koosnevad ringikujulistest aminohapetest. Kui ta ja ta kolleegid vähendasid rõngastatud aminohapete hulka pilinis, muutusid nanojuhtmed vähem juhtivaks. "See oli tõesti hämmastav, " ütleb Lovely, sest üldiselt aktsepteeritakse, et valgud on isolaatorid. Kuid teised arvavad, et see küsimus pole kaugeltki lahendatud. Näiteks Orphan ütleb, et kuigi "on tohutult palju tõendeid … ma siiski ei usu, et [nanojuhtme juhtivus] on hästi mõistetav."

Selge on see, et elektribakterid on kõikjal. Näiteks 2014. aastal avastasid teadlased Põhjameres kaablibaktereid kolmest väga erinevast elupaigast: loodete soolasoost, merepõhjabasseinist, kus hapnikutase langeb mõnel aastaajal peaaegu nullini, ja üleujutatud mudasel tasandikul mere lähedal. … … kaldal. (Nad ei leidnud neid liivasel alal, kus elasid setteid üles ajavad ja kaableid katkestavad ussid.) Mujal on teadlased leidnud DNA tõendeid kaablibakterite kohta sügavates hapnikuvaestes ookeanibasseinides, kuumaveeallikate piirkondades ja külmades tingimustes. lekked ning mangroovid ja loodete pangad nii parasvöötmes kui ka subtroopilistes piirkondades.

Kaablibaktereid leidub ka mageveekeskkonnas. Pärast Nielseni artiklite lugemist 2010. ja 2012. aastal uuris mikrobioloog Rainer Meckenstocki juhitud meeskond uuesti Saksamaal Düsseldorfis põhjavee saastatuse uuringu käigus puuritud settesüdamikke. "Leidsime [kaablibakterid] täpselt sealt, kus arvasime, et leiame neid," meenutab Mekenstock, kes töötab Duisburg-Esseni ülikoolis.

Nanowire bakterid on veelgi laiemalt levinud. Teadlased on neid leidnud muldadest, riisipõldudest, sügavatest sooltest ja isegi reoveepuhastitest, aga ka magevee- ja meresetetest. Need võivad eksisteerida kõikjal, kus biokile moodustub, ja biokilede kõikjal esinemine on veel üks tõend nende bakterite suurest rollist looduses.

Elektrimudabakterite suur valik viitab ka sellele, et neil on ökosüsteemides oluline roll. Näiteks takistades vesiniksulfiidi kogunemist, muudavad kaablibakterid tõenäoliselt mustuse muude eluvormide jaoks elamiskõlblikumaks. Meckenstock, Nielsen ja teised on leidnud neid mereheina ja teiste veetaimede juurte juurest või nende juurest, mis eraldavad hapnikku, mida bakterid tõenäoliselt kasutavad vesiniksulfiidi lagundamiseks. See omakorda kaitseb taimi mürgise gaasi eest. Partnerlus "tundub veetaimedele väga iseloomulik," ütles Meckenstock.

Stony Brooki ülikooli mere biogeokeemik Robert Aller usub, et bakterid võivad aidata ka paljusid veealuseid selgrootuid, sealhulgas usse, kes rajavad urud, mis võimaldavad hapnikurikka vee mudasse siseneda. Ta leidis kaablibakterid, mis kleepuvad ussitorude külgedele, arvatavasti selleks, et nad saaksid seda hapnikku elektronide salvestamiseks kasutada. Need ussid on omakorda kaitstud mürgise vesiniksulfiidi eest. "Bakterid muudavad [uru] elamisväärsemaks," ütleb Aller, kes kirjeldas linke 2019. aasta juulis ajakirjas Science Advances ilmunud artiklis.

Mikroobid muudavad ka mustuse omadusi, ütleb Marylandi ülikooli keskkonnateaduste keskuse ökoloog Saira Malkin. "Nad on eriti tõhusad … ökosüsteemi insenerid." Kaablibakterid "kasvavad kulutulena," ütleb ta; Ta leidis, et loodete austririffidel võib üks kuupsentimeetrine muda sisaldada 2859 meetrit kaableid, mis tsementeerivad osakesed paika, muutes sette tõenäoliselt mereorganismide suhtes vastupidavamaks.

Bakterid muudavad ka mustuse keemiat, muutes pinnale lähemad kihid aluselisemaks ja sügavamad kihid happelisemaks, leidis Malkin. Ta ütles, et sellised pH-gradiendid võivad mõjutada "arvukaid geokeemilisi tsükleid", sealhulgas arseeni, mangaani ja rauaga seotud tsükleid, luues võimalusi teistele mikroobidele.

Kuna suured osad planeedist on kaetud mudaga, avaldavad teadlaste sõnul kaablite ja nanojuhtmetega seotud bakterid tõenäoliselt globaalset kliimat. Näiteks nanotraatbakterid võivad võtta elektrone orgaanilistest materjalidest, nagu surnud ränivetikad, ja seejärel edastada need teistele bakteritele, mis toodavad võimsat kasvuhoonegaasi metaani. Erinevatel asjaoludel võivad kaablibakterid vähendada metaani tootmist.

Järgmistel aastatel "näeme nende mikroobide tähtsust biosfäärile laialdaselt tunnustama," ütleb Malkin. Veidi üle kümne aasta pärast seda, kui Nielsen märkas vesiniksulfiidi salapärast kadumist Århusi mudast, ütleb ta: "Pearastav on mõelda, millega meil siin tegemist on."

Järgmisena: telefon, mis töötab mikroobsete juhtmetega?

Elektriliste mikroobide pioneerid mõtlesid kiiresti, kuidas neid baktereid kasutada."Nüüd, mil me teame, et evolutsioon on suutnud luua elektrijuhtmeid, oleks kahju, kui me neid ei kasutaks," ütleb Århusi ülikooli mikrobioloog Lars Peter Nielsen.

Üks võimalik rakendus on saasteainete avastamine ja kontroll. Tundub, et kaablimikroobid arenevad orgaaniliste ühendite, nagu nafta, juuresolekul ning Nielsen ja tema meeskond katsetavad võimalust, et kaablibakterite rohkus annab märku põhjaveekihtides leiduvast avastamata reostusest. Bakterid õli otseselt ei lagunda, kuid võivad oksüdeerida teiste õlibakterite toodetud sulfiidi. Need võivad aidata ka puhastamisel; sademed taastuvad toornafta saastumisest kiiremini, kui need koloniseerivad kaablibakterid, teatas teine uurimisrühm jaanuaris ajakirjas Water Research. Hispaanias uurib kolmas meeskond, kas nanojuhtmebakterid võivad kiirendada saastunud märgalade puhastamist. Ja isegi enne, kui nanotraadil põhinevad bakterid olid elektrilised, näitasid nad lubadust puhastada tuumajäätmed ja põhjaveekihid, mis olid saastunud aromaatsete süsivesinikega, nagu benseen või naftaleen.

Elektribakterid võivad tekitada ka uusi tehnoloogiaid. Amhersti Massachusettsi ülikooli (UMass) mikrobioloogi Derek Lovley sõnul saab neid geneetiliselt muundada, et muuta nende nanojuhtmeid, mida saab seejärel ära lõigata, et moodustada tundlike kantavate andurite selgroog. "Saame kujundada nanojuhtmeid ja kohandada neid huvipakkuvate ühendite spetsiifiliseks sidumiseks." Näiteks UMassi insener Jun Yao ja nende kolleegid kirjeldasid Nano Researchi 11. mai väljaandes Lovely nanojuhtmepõhist andurit, mis tuvastab ammoniaagi kontsentratsiooni, mis on vajalik põllumajandus-, tööstus-, keskkonna- ja biomeditsiiniliste rakenduste jaoks.

Kilena loodud nanojuhtmed võivad õhuniiskusest toota elektrit Teadlased usuvad, et kile tekitab energiat, kui kile ülemise ja alumise serva vahel tekib niiskusgradient. (Ülemine serv on niiskusele vastuvõtlikum.) Kui vee vesiniku- ja hapnikuaatomid eralduvad gradiendi mõjul, tekib laeng ja elektronid voolavad. Yao ja tema meeskond teatasid 17. veebruaril ajakirjas Nature, et selline kile võib tekitada piisavalt energiat valgusdioodi süütamiseks ning 17 sellist omavahel ühendatud seadet võiksid toita mobiiltelefoni. See lähenemisviis on "revolutsiooniline tehnoloogia taastuva, puhta ja odava energia tootmiseks," ütleb Qu Lianti, Tsinghua ülikooli materjaliteadlane. (Teised on ettevaatlikumad, märkides, et varasemad katsed grafeeni või polümeeride abil niiskusest energiat välja pigistada on ebaõnnestunud.)

Lõppkokkuvõttes loodavad teadlased kasutada bakterite elektrilisi võimeid, ilma et nad peaksid tegelema valivate mikroobidega. Näiteks Catch veenis tavalist laboratoorset ja tööstuslikku bakterit Escherichia coli nanojuhtmeid tegema. See peaks hõlbustama teadlastel struktuuride masstootmist ja nende praktiliste rakenduste uurimist.