Eisenatmer NZZ
Мікроби можуть «дихати» металами так само, як ми, люди, робимо це з киснем. Це дозволяє очищати забруднений грунт і підземні води. Серед дослідників виникла суперечка щодо основних механізмів.
Коли мікробіолог Дерек Ловлі виявив бактерію Geobacter у грязі річки Потомак поблизу Вашингтона, округ Колумбія, у 1987 році, він не мав уявлення про її надзвичайні властивості. Однак незабаром стало ясно, що Geobacter отримує енергію для свого метаболізму завдяки хімічному відновленню заліза: бактерія переносить електрони з вуглецевої їжі до оксиду заліза в ґрунті та підземних водах. Процес подібний до процесу клітинного дихання людини. Тут енергія генерується в біохімічному процесі, коли електрони передаються кисню, яким ми дихаємо. Однак у Geobacter залізо замінює кисень у дихальному ланцюзі - новинка в біології.
Мікроби можуть «дихати» металами так само, як ми, люди, робимо це з киснем. Це дозволяє очищати забруднені ґрунти та підземні води. Серед дослідників виникла суперечка щодо основних механізмів.
Коли мікробіолог Дерек Ловлі виявив бактерію Geobacter у грязі річки Потомак поблизу Вашингтона, округ Колумбія, у 1987 році, він не мав уявлення про її надзвичайні властивості. Однак незабаром стало ясно, що Geobacter отримує енергію для свого метаболізму завдяки хімічному відновленню заліза: бактерія переносить електрони з вуглецевої їжі до оксиду заліза в ґрунті та підземних водах. Процес подібний до процесу клітинного дихання людини. Тут енергія генерується в біохімічному процесі, при цьому електрони передаються кисню, яким ми дихаємо. Однак у Geobacter залізо замінює кисень у дихальному ланцюзі - новинка в біології.
Очищаюча сила
У наступні роки досліджувались інші види Geobacter, і було показано, що організми можуть використовувати для свого метаболізму не тільки залізо, а й інші метали. Geobacter sulfulfucens може віддавати електрони в сірку, Geobacter uraniireducens - в радіоактивний уран. Це відкрило можливість використання бактерій для очищення ґрунту та підземних вод від використаних уранових шахт, наприклад. Geobacter переносить по два електрони на іони урану, знайдені в ґрунті, зменшуючи їх до діоксиду урану. На відміну від іонів урану, він майже не розчиняється у воді. Він осідає у вигляді твердої речовини, тому набагато складніше розподілити його в підземних водах і не стає небезпекою настільки швидко. Такі процеси очищення з використанням бактерій відомі фахівцям як біоремедіація.
Вже кілька років дослідники випробовують очищувальну силу Geobacter на полігоні в Тихоокеанській північно-західній національній лабораторії в Колорадо. Під час холодної війни уран з родовища використовувався для виготовлення ядерної зброї для армії. Завод закрили в 1972 році, але радіоактивний матеріал все ще присутній у підземних водах і сьогодні. За допомогою Geobacter вміст урану у воді зменшився на 90 відсотків протягом 50 днів. Оскільки бактерії так чи інакше трапляються в більшості ґрунтів, було достатньо збільшити їх кількість, годуючи їх. Дослідники вводили в грунт оцет як корм.
Багатофункціональні дроти
Як саме мікроби переносять електрони до металів, було давно незрозумілим. У 2005 році, однак, дослідницька група Ловлі показала, що ниткоподібні білкові процеси, відомі як пілі, беруть участь у відновленні металів. Однак їх довжина може становити кілька мікрометрів. Такі електропровідні білки раніше не були відомі.
Дослідники вважають, що довгий діапазон нанопроволок пропонує бактеріям деякі значні метаболічні переваги. Одноклітинні організми можуть використовувати пілі так само, як водолаз використовує трубку: вони буквально контактують з частинками металу, що знаходяться далеко. Пілі також можна розглядати як засіб для “зовнішнього підрядника” дихання. Останній крок в дихальному ланцюзі, перенесення електронів до металевого акцептора електронів, відбувається поза бактерією. Це перевага, яку не слід недооцінювати, оскільки розмір частинок життєво важливих металів такий же великий, як розмір бактерії. Бактерії не можуть так легко поглинати частинки.
При вдиханні урану електронний перенос за межі клітинного тіла також безпосередньо забезпечує виживання мікробів, як нещодавно показали дослідники з Університету штату Мічиган. Вони модифікували клітини Geobacter так, щоб вони не утворювали пілі. Потім бактерії редукували уран у клітинах, що призвело до їх знищення
Тож використання пілі здається правдоподібним. І також зрозуміло, що пілі насправді проводять електрику. Однак точний механізм провідності досі невідомий, хоча з'явилася нещодавня стаття, за якою Ловлі та його колеги вважають, що нанопроволоки проводять електрику подібно до металу. одиночні пілі. Результати вказують на металеву провідність, як це спостерігається у синтетичних наноструктурах, виготовлених з металу або в невпорядкованих металах.
Скептичні колеги
Однак невелика дослідницька спільнота, яка займається цією темою, залишається скептичною. Наприклад, Юрій Горбі: колишній доктор Ловлі нещодавно почав працювати в Університеті Південної Каліфорнії і має сильні сумніви в тому, що пілі насправді можна охарактеризувати як метали. Він уже розпадається з Ловлі. Під час свого служіння в Ловлі він створив термін і поняття "нанопровід", говорить Горбі. Але морально сумнівна поведінка забезпечила, що слава тепер падає за іншими.
Сьогодні Горбі також працює над різними іншими бактеріальними штамами, які, на його думку, є провідними пілі. У 2006 році він продемонстрував такі нанодроти для організму, який називається Shewanella.⁴ Подібно до Geobacter, Shewanella використовує дихання заліза для свого метаболізму. Горбі підозрює, що дуже багато - майже всі мікроорганізми - здатні утворювати провідні білкові нитки. На його думку, мережі, що з'єднують мікроорганізми через межі видів, можуть відігравати центральну роль у багатьох процесах: від кругообігу речовин у ґрунтах до хвороб, спричинених бактеріями. Він також вважає можливим, що мікроби "спілкуються" через мережі, виготовлені з нанопровідників, і обмінюються інформацією подібно до нейронних мереж.
Новий напрямок досліджень
В даний час Горбі та його команда намагаються охарактеризувати "кондуктома" бактерій - гени, які, імовірно, необхідні для провідності пілі. Цим Горбі хоче допомогти новій галузі досліджень електро-мікробіології досягти прориву. Однак Ловлі ставить під сумнів ідеї Горбі. Він наполягає на тому, що електропровідні пілі поки що були виявлені лише для Geobacter, і відкидає опубліковану роботу над нанопроводами в Шеванелі. Навіть Джим Фредріксон, тодішній керівник відповідальної дослідницької групи, тим часом відійшов від результатів Шеванелли, заявляє Ловлі.
Фредріксон жорстко суперечить цьому: «Я на той час не відхилявся від наших результатів. Я ставлю під сумнів тлумачення, це дві абсолютно різні речі ". Доказів електропровідності матеріалу недостатньо, щоб зробити висновок про існування мікробного переносу електронів. Інший раніше невідомий механізм може спричинити провідність.
У цій суперечливій галузі досліджень багато рухів; поки мало що здається певним або неможливим. У будь-якому випадку, розуміння провідності електрики в бактеріях повинно служити не лише для розширення академічної вежі зі слонової кістки, погоджуються Горбі та Ловлі. Для використання в біоремедіації в майбутньому може бути використана генерація електроенергії з метаноїдних мікробів та розробка біоелектронних компонентів, тобто датчиків або приладів для медичного аналізу, які використовують нанодроти, виготовлені з бактерій.
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).