Bakteret misterioze që prodhojnë tela elektrikë

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2023-12-16 16:16

Për Lars Peter Nielsen, gjithçka filloi me zhdukjen misterioze të sulfurit të hidrogjenit. Mikrobiologu mblodhi baltën e zezë dhe me erë të keqe nga fundi i portit Aarhus në Danimarkë, e hodhi në gota të mëdha qelqi dhe futi mikrosensorë të veçantë që zbuluan ndryshime në përbërjen kimike të baltës.

Në fillim të eksperimentit, përbërja ishte e ngopur me sulfid hidrogjeni - burimi i erës dhe ngjyrës së sedimentit. Por 30 ditë më vonë, një rrip papastërtie u zbeh, gjë që tregon humbjen e sulfurit të hidrogjenit. Përfundimisht, mikrosensorët treguan se e gjithë lidhja ishte zhdukur. Duke pasur parasysh atë që shkencëtarët dinin për biogjeokiminë e baltës, kujton Nielsen nga Universiteti Aarhus, "nuk kishte fare kuptim".

Shpjegimi i parë, tha ai, ishte se sensorët ishin të gabuar. Por arsyeja doli të ishte shumë më e çuditshme: bakteret që lidhin qelizat krijojnë kabllo elektrike që mund të përcjellin rrymë deri në 5 centimetra nëpër papastërti.

Një përshtatje e pa parë më parë te mikrobet i lejon këto të ashtuquajtura baktere kabllore të kapërcejnë një problem madhor me të cilin përballen shumë organizma që jetojnë në baltë: mungesën e oksigjenit. Mungesa e tij zakonisht i mban bakteret nga metabolizimi i komponimeve të tilla si sulfidi i hidrogjenit për ushqim. Por kabllot, duke i lidhur mikrobet me depozitat e pasura me oksigjen, i lejojnë ata të reagojnë në distanca të gjata.

Kur Nielsen përshkroi për herë të parë zbulimin në vitin 2009, kolegët e tij ishin skeptikë. Philip Meisman, një inxhinier kimik në Universitetin e Antwerp-it, kujton se mendonte: "Kjo është absurditet i plotë". Po, studiuesit e dinin që bakteret mund të përçonin elektricitetin, por jo në distancat që sugjeroi Nielsen. “Ishte sikur proceset tona metabolike mund të preknin një distancë prej 18 kilometrash”, thotë mikrobiologu Andreas Teske nga Universiteti i Karolinës së Veriut në Chapel Hill.

Por sa më shumë studiues të kërkonin baltën e "elektrizuar", aq më shumë e gjenin atë si në ujë të kripur ashtu edhe në ujë të freskët. Ata identifikuan gjithashtu një lloj të dytë të mikrobit elektrik që i pëlqen papastërtia: bakteret me nanoteli, qeliza individuale që rritin struktura proteinike që mund të lëvizin elektronet në distanca më të shkurtra.

Këto mikrobe me nanotel gjenden kudo, duke përfshirë edhe në gojën e njeriut

Zbulimet i detyrojnë studiuesit të rishkruajnë tekstet shkollore; rimendoni rolin e baktereve të baltës në përpunimin e elementeve kryesore si karboni, azoti dhe fosfori; dhe rishikoni se si ato ndikojnë në ekosistemet ujore dhe ndryshimet klimatike.

Shkencëtarët po kërkojnë gjithashtu aplikime praktike, duke eksploruar potencialin e baktereve që përmbajnë kabllo dhe nanotela për të luftuar ndotjen dhe për të fuqizuar pajisjet elektronike. "Ne po shohim shumë më tepër ndërveprime brenda mikrobeve dhe midis mikrobeve që përdorin energjinë elektrike," thotë Meisman. "Unë e quaj atë biosfera elektrike."

Shumica e qelizave lulëzojnë duke marrë elektrone nga një molekulë, një proces i quajtur oksidim, dhe duke i transferuar ato në një molekulë tjetër, zakonisht oksigjen, që quhet reduktim. Energjia e fituar nga këto reaksione rregullon proceset e tjera të jetës. Në qelizat eukariote, duke përfshirë edhe tonat, reaksione të tilla "redoks" ndodhin në membranën e brendshme të mitokondrive, dhe distancat midis tyre janë të vogla - vetëm mikrometra. Kjo është arsyeja pse kaq shumë studiues ishin skeptikë në lidhje me pretendimin e Nielsen se bakteret kabllore lëvizin elektronet përmes një shtrese papastërtie me madhësinë e një topi golfi.

Zhdukja e sulfurit të hidrogjenit ishte çelësi për të vërtetuar këtë. Bakteret bëjnë një përbërje në baltë, duke zbërthyer mbeturinat bimore dhe materiale të tjera organike; në depozitat më të thella, sulfidi i hidrogjenit grumbullohet për shkak të mungesës së oksigjenit, i cili ndihmon bakteret e tjera ta zbërthejnë atë. Megjithatë, sulfidi i hidrogjenit ende u zhduk në gotat e Nielsen. Për më tepër, në sipërfaqen e papastërtisë u shfaq një nuancë e ndryshkur, e cila tregonte formimin e oksidit të hekurit.

Duke u zgjuar një natë, Nielsen doli me një shpjegim të çuditshëm: po sikur bakteret e groposura në baltë të përfundonin reaksionin redoks, duke anashkaluar disi shtresat e varfëra me oksigjen? Po sikur, në vend të kësaj, ata të përdornin furnizimin e bollshëm të sulfurit të hidrogjenit si dhurues elektronesh dhe më pas t'i drejtonin elektronet drejt sipërfaqes së pasur me oksigjen? Atje, në procesin e oksidimit, formohet ndryshku nëse ka hekur.

Gjetja e asaj që mbart këto elektrone ka qenë e vështirë. Së pari, Niels Riesgaard-Petersen i ekipit të Nielsen duhej të përjashtonte një mundësi më të thjeshtë: grimcat metalike në sediment bartin elektrone në sipërfaqe dhe shkaktojnë oksidim. Ai e arriti këtë duke futur një shtresë rruaza qelqi që nuk përçojnë energjinë elektrike në një shtyllë papastërtie. Pavarësisht nga kjo pengesë, studiuesit ende gjetën një rrymë elektrike që lëvizte nëpër baltë, duke sugjeruar se grimcat metalike nuk ishin përçuese.

Për të parë nëse një kabllo ose tel po mbante elektrone, studiuesit më pas përdorën tela tungsteni për të bërë një prerje horizontale nëpër kolonën e baltës. Rryma iku, sikur të ishte prerë një tel. Punime të tjera ngushtuan madhësinë e përcjellësit, duke sugjeruar që ai duhet të jetë të paktën 1 mikrometër në diametër. "Kjo është madhësia normale e baktereve," thotë Nielsen.

Në fund të fundit, mikrografët elektronikë zbuluan një kandidat të mundshëm: fibra të gjata dhe të holla bakteriale që u shfaqën në një shtresë rruaza qelqi të futura në gota të mbushura me baltë nga porti i Aarhus. Çdo filament përbëhej nga një grumbull qelizash - deri në 2000 - të mbyllura në një membranë të jashtme me brinjë. Në hapësirën midis kësaj membrane dhe qelizave të vendosura mbi njëra-tjetrën, një mori "telash" paralele e shtrinin fillin në të gjithë gjatësinë e tij. Pamja si kabllo frymëzoi emrin e zakonshëm të mikrobit.

Meisman, një ish skeptik, u konvertua shpejt. Menjëherë pasi Nielsen njoftoi zbulimin e tij, Meismann vendosi të hetonte një nga mostrat e tij të baltës së detit. “Vura re të njëjtat ndryshime të ngjyrës në sedimentin që ai pa,” kujton Meisman. "Ishte drejtimi i Nënës Natyrë për ta marrë atë më seriozisht."

Ekipi i tij filloi të zhvillonte mjete dhe metoda për kërkimin mikrobial, ndonjëherë duke punuar në bashkëpunim me grupin e Nielsen. Ishte e vështirë të shkoje. Filamentet bakteriale priren të përkeqësohen shpejt pas izolimit dhe elektrodat standarde për matjen e rrymave në përçuesit e vegjël nuk funksionojnë. Por sapo studiuesit mësuan të zgjidhnin një fije të vetme dhe të lidhnin shpejt një elektrodë individuale, "ne pamë përçueshmëri vërtet të lartë", thotë Meisman. Kabllot e drejtpërdrejtë nuk mund të konkurrojnë me telat e bakrit, tha ai, por ato përputhen me përçuesit e përdorur në panelet diellore dhe ekranet e telefonave celularë, si dhe me gjysmëpërçuesit më të mirë organikë.

Studiuesit gjithashtu analizuan anatominë e baktereve kabllore. Duke përdorur banja kimike, ata izoluan guaskën cilindrike, duke zbuluar se ajo përmbante 17 deri në 60 fibra paralele të ngjitura së bashku brenda. Predha është burimi i përcjelljes, raportuan Meisman dhe kolegët vitin e kaluar në Nature Communications. Përbërja e tij e saktë ende nuk dihet, por mund të jetë e bazuar në proteina.

"Është një organizëm kompleks," thotë Nielsen, i cili tani drejton Qendrën për Elektro-Mikrobiologjinë, e krijuar në vitin 2017 nga qeveria daneze. Ndër problemet që zgjidh qendra është prodhimi masiv i mikrobeve në kulturë. "Nëse do të kishim një kulturë të pastër, do të ishte shumë më e lehtë" të testonim idetë rreth metabolizmit të qelizave dhe efektit të mjedisit në përçueshmëri, thotë Andreas Schramm nga qendra. Bakteret e kultivuara gjithashtu do ta bëjnë më të lehtë izolimin e telave të kabllove dhe testimin e aplikimeve të mundshme të bioremediation dhe bioteknologjisë.

Ndërsa studiuesit janë në mëdyshje mbi bakteret në kabllo, të tjerët po shikojnë një tjetër lojtar kryesor në baltën elektrike: bakteret me bazë nanotela që, në vend që të palosin qelizat në kabllo, rritin tela proteinash 20 deri në 50 nm në gjatësi nga secila qelizë.

Ashtu si me bakteret kabllore, përbërja kimike misterioze e depozitave çoi në zbulimin e mikrobeve me nanotel. Në vitin 1987, mikrobiologu Derek Lovley, tani në Universitetin e Massachusetts Amherst, u përpoq të kuptonte se si fosfati nga ujërat e zeza të plehrave - një lëndë ushqyese që nxit lulëzimin e algave - lirohet nga sedimenti nën lumin Potomac në Uashington, DC. punoi dhe filloi t'i heqë ato nga papastërtia. Pasi rriti një, që tani quhet Geobacter Metallireducens, ai vuri re (nën një mikroskop elektronik) se bakteret kishin krijuar lidhje me mineralet e hekurit aty pranë. Ai dyshoi se elektronet barteshin përgjatë këtyre telave dhe përfundimisht kuptoi se Geobacter orkestronte reaksione kimike në baltë, duke oksiduar komponimet organike dhe duke transferuar elektrone në minerale. Këto minerale të reduktuara më pas çlirojnë fosfor dhe elementë të tjerë.

Ashtu si Nielsen, Lovely u përball me skepticizëm kur përshkroi për herë të parë mikrobin e tij elektrik. Megjithatë, sot ai dhe të tjerët kanë regjistruar gati një duzinë lloje mikrobesh me nanotel, duke i gjetur ato në mjedise të ndryshme nga papastërtia. Shumë mbartin elektrone në dhe nga grimcat në sediment. Por disa mbështeten në mikrobe të tjera për të marrë ose ruajtur elektrone. Ky partneritet biologjik i lejon të dy mikrobet të "angazhohen në lloje të reja të kimisë që asnjë organizëm nuk mund t'i bëjë i vetëm", thotë Victoria Orfan, një gjeobiologe në Institutin e Teknologjisë në Kaliforni. Ndërsa bakteret kabllore zgjidhin nevojat e tyre redoks duke u transportuar në distanca të gjata në baltën e oksigjenuar, këto mikrobe varen nga metabolizmi i njëri-tjetrit për të përmbushur nevojat e tyre redoks.

Disa studiues ende debatojnë se si nanotelat bakteriale përçojnë elektronet. Lovley dhe kolegët e tij janë të bindur se çelësi janë zinxhirët e proteinave të quajtura pilina, të cilat përbëhen nga aminoacide rrethore. Kur ai dhe kolegët e tij reduktuan sasinë e aminoacideve të rrethuara në pilin, nanotelat u bënë më pak përçues. "Ishte vërtet e mahnitshme," thotë Lovely, sepse përgjithësisht pranohet se proteinat janë izolues. Por të tjerë mendojnë se kjo pyetje është larg zgjidhjes. Orphan, për shembull, thotë se megjithëse "ka prova dërrmuese… Unë ende mendoj se [përçimi i nanotelit] nuk është kuptuar mirë."

Ajo që është e qartë është se bakteret elektrike janë kudo. Në vitin 2014, për shembull, shkencëtarët zbuluan baktere kabllore në tre habitate shumë të ndryshme në Detin e Veriut: në një moçal kripe të baticës, në një pellg në shtratin e detit ku nivelet e oksigjenit bien pothuajse në zero në disa stinë dhe në një fushë të përmbytur me baltë pranë detit. … breg. (Ata nuk i gjetën në një zonë ranore të banuar nga krimba që grumbullojnë sedimente dhe prishin kabllot.) Diku tjetër, studiuesit kanë gjetur prova të ADN-së të baktereve kabllore në pellgje oqeanike të thella, të varfëra me oksigjen, zona burimesh të nxehta dhe kushte të ftohta. derdhjet, dhe mangroves dhe brigjet e baticës në të dy rajonet e butë dhe subtropikale.

Bakteret kabllore gjenden gjithashtu në mjedise me ujë të ëmbël. Pas leximit të artikujve të Nielsen në 2010 dhe 2012, një ekip i udhëhequr nga mikrobiologu Rainer Meckenstock riekzaminoi bërthamat e sedimentit të shpuara gjatë një studimi të ndotjes së ujërave nëntokësore në Düsseldorf, Gjermani. "Ne gjetëm [bakteret kabllore] pikërisht aty ku menduam se do t'i gjenim," në thellësi ku oksigjeni ishte i varfëruar, kujton Mekenstock, i cili punon në Universitetin e Duisburg-Essen.

Bakteret me nanotel janë edhe më të përhapura. Studiuesit i kanë gjetur ato në toka, fushat e orizit, zorrët e thella dhe madje edhe impiantet e trajtimit të ujërave të zeza, si dhe në ujërat e ëmbla dhe sedimentet detare. Ato mund të ekzistojnë kudo ku formohen biofilmat, dhe prania e kudondodhur e biofilmave është dëshmi e mëtejshme e rolit të madh që këto baktere mund të luajnë në natyrë.

Shumëllojshmëria e gjerë e baktereve elektrike të llumit sugjeron gjithashtu se ato luajnë një rol të rëndësishëm në ekosistemet. Për shembull, duke parandaluar grumbullimin e sulfurit të hidrogjenit, bakteret kabllore ka të ngjarë të bëjnë papastërtitë më të banueshme për format e tjera të jetës. Meckenstock, Nielsen dhe të tjerë i kanë gjetur ato në ose pranë rrënjëve të barit të detit dhe bimëve të tjera ujore që çlirojnë oksigjen, të cilin bakteret ndoshta e përdorin për të zbërthyer sulfid hidrogjeni. Kjo, nga ana tjetër, mbron bimët nga gazi toksik. Partneriteti "duket shumë karakteristik për bimët ujore," tha Meckenstock.

Robert Aller, një biogjeokimist detar në Universitetin Stony Brook, beson se bakteret mund të ndihmojnë gjithashtu shumë jovertebrorë nënujorë, duke përfshirë krimbat që ndërtojnë strofulla që lejojnë ujin e oksigjenuar të hyjë në baltë. Ai gjeti baktere kabllore që ngjiteshin në anët e tubave të krimbave, me sa duket në mënyrë që ata të mund ta përdornin këtë oksigjen për të ruajtur elektronet. Nga ana tjetër, këta krimba mbrohen nga sulfidi toksik i hidrogjenit. “Bakteret e bëjnë [strofkën] më të jetueshme”, thotë Aller, i cili i përshkroi lidhjet në një artikull të korrikut 2019 në Science Advances.

Mikrobet gjithashtu ndryshojnë vetitë e papastërtisë, thotë Saira Malkin, një ekologe në Qendrën për Shkenca Mjedisore të Universitetit të Maryland. "Ata janë veçanërisht të efektshëm … inxhinierë ekosistemit." Bakteret kabllore “rriten si zjarri i egër”, thotë ajo; Në shkëmbinjtë e baticës së gocave deti, zbuloi ajo, një centimetër kub baltë mund të përmbajë 2,859 metra kabllo që çimentojnë grimcat në vend, duke e bërë ndoshta sedimentin më rezistent ndaj organizmave detarë.

Bakteret gjithashtu ndryshojnë kiminë e papastërtisë, duke i bërë shtresat më afër sipërfaqes më alkaline dhe shtresat më të thella më acide, zbuloi Malkin. Gradiente të tilla të pH mund të ndikojnë në "cikle të shumta gjeokimike", duke përfshirë ato që lidhen me arsenikun, manganin dhe hekurin, tha ajo, duke krijuar mundësi për mikrobet e tjera.

Për shkak se pjesë të mëdha të planetit janë të mbuluara me baltë, thonë studiuesit, bakteret e lidhura me kabllot dhe nanotelat ka të ngjarë të kenë një ndikim në klimën globale. Bakteret me nanotel, për shembull, mund të marrin elektrone nga materiale organike si diatomet e vdekura dhe më pas t'i kalojnë ato te bakteret e tjera që prodhojnë metan, një gaz i fuqishëm serrë. Në rrethana të ndryshme, bakteret kabllore mund të zvogëlojnë prodhimin e metanit.

Në vitet e ardhshme, "ne do të shohim një njohje të gjerë të rëndësisë së këtyre mikrobeve për biosferën", thotë Malkin. Pak më shumë se dhjetë vjet pasi Nielsen vuri re zhdukjen misterioze të sulfurit të hidrogjenit nga balta e Aarhusit, ai thotë: "Është marramendëse të mendosh se me çfarë kemi të bëjmë këtu".

Tjetra: një telefon i mundësuar nga tela mikrobial?

Pionierët e mikrobeve elektrike menduan shpejt se si t'i përdornin këto baktere."Tani që ne e dimë se evolucioni ka qenë në gjendje të krijojë tela elektrikë, do të ishte turp nëse nuk do t'i përdornim," thotë Lars Peter Nielsen, një mikrobiolog në Universitetin e Aarhus.

Një aplikim i mundshëm është zbulimi dhe kontrolli i ndotësve. Mikrobet e kabllove duket se lulëzojnë në prani të përbërjeve organike si nafta, dhe Nielsen dhe ekipi i tij po testojnë mundësinë që bollëku i baktereve kabllore sinjalizon praninë e ndotjes së pazbuluar në akuiferë. Bakteret nuk e degradojnë drejtpërdrejt vajin, por ato mund të oksidojnë sulfidin e prodhuar nga bakteret e tjera vajore. Ato gjithashtu mund të ndihmojnë në pastrimin; reshjet rikuperohen më shpejt nga kontaminimi i naftës së papërpunuar kur kolonizohet nga bakteret kabllore, raportoi një grup tjetër kërkimor në janar në revistën Water Research. Në Spanjë, një ekip i tretë po heton nëse bakteret me nanotel mund të përshpejtojnë pastrimin e ligatinave të ndotura. Dhe edhe para se bakteret me bazë nanotela të ishin elektrike, ata treguan premtimin e dekontaminimit të mbetjeve bërthamore dhe akuiferëve të kontaminuar me hidrokarbure aromatike si benzeni ose naftalina.

Bakteret elektrike mund të krijojnë gjithashtu teknologji të reja. Ato mund të modifikohen gjenetikisht për të ndryshuar nanotelat e tyre, të cilët më pas mund të priten për të formuar shtyllën kurrizore të sensorëve të ndjeshëm të veshjes, sipas Derek Lovley, një mikrobiolog në Universitetin e Massachusetts (UMass), Amherst. "Ne mund të projektojmë nanotela dhe t'i përshtatim ato për të lidhur në mënyrë specifike përbërjet me interes." Për shembull, në numrin e 11 majit Lovely të Nano Research, inxhinieri UMass Jun Yao dhe kolegët e tyre përshkruan një sensor të bazuar në nanotel që zbulon amoniakun në përqendrime të nevojshme për aplikime bujqësore, industriale, mjedisore dhe biomjekësore.

Të krijuar si një film, nanotelat mund të gjenerojnë energji elektrike nga lagështia në ajër. Studiuesit besojnë se filmi gjeneron energji kur një gradient lagështie ndodh midis skajeve të sipërme dhe të poshtme të filmit. (Buza e sipërme është më e ndjeshme ndaj lagështirës.) Ndërsa atomet e hidrogjenit dhe oksigjenit të ujit ndahen për shkak të gradientit, gjenerohet ngarkesa dhe elektronet rrjedhin. Yao dhe ekipi i tij raportuan në Nature më 17 shkurt se një film i tillë mund të krijojë energji të mjaftueshme për të ndezur një diodë që lëshon dritë dhe 17 pajisje të tilla të lidhura së bashku mund të fuqizojnë një telefon celular. Qasja është "një teknologji revolucionare për gjenerimin e energjisë së rinovueshme, të pastër dhe të lirë", thotë Qu Lianti, një shkencëtar i materialeve në Universitetin Tsinghua. (Të tjerët janë më të kujdesshëm, duke vënë në dukje se përpjekjet e kaluara për të shtrydhur energjinë nga lagështia duke përdorur grafen ose polimere kanë qenë të pasuksesshme.)

Në fund të fundit, kërkuesit shpresojnë të shfrytëzojnë aftësitë elektrike të baktereve pa pasur nevojë të merren me mikrobet marramendëse. Catch, për shembull, bindi bakterin e zakonshëm laboratorik dhe industrial Escherichia coli për të prodhuar nanotela. Kjo duhet ta bëjë më të lehtë për studiuesit që të prodhojnë në masë strukturat dhe të studiojnë aplikimet e tyre praktike.