Bacterii misterioase care produc fire electrice

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Pentru Lars Peter Nielsen, totul a început cu dispariția misterioasă a hidrogenului sulfurat. Microbiologul a colectat noroiul negru și mirositor de pe fundul portului Aarhus din Danemarca, l-a aruncat în pahare mari de sticlă și a introdus microsenzori speciali care au detectat modificări în compoziția chimică a noroiului.

La începutul experimentului, compoziția a fost saturată cu hidrogen sulfurat - sursa mirosului și a culorii sedimentului. Dar 30 de zile mai târziu, o fâșie de murdărie a devenit palidă, ceea ce indică pierderea de hidrogen sulfurat. În cele din urmă, microsenzorii au arătat că întreaga conexiune a dispărut. Având în vedere ceea ce știau oamenii de știință despre biogeochimia nămolului, își amintește Nielsen de la Universitatea Aarhus, „nu avea deloc sens”.

Prima explicație, a spus el, a fost că senzorii erau greșiți. Dar motivul s-a dovedit a fi mult mai ciudat: bacteriile care conectează celulele creează cabluri electrice care pot conduce curentul până la 5 centimetri prin murdărie.

O adaptare nemaivăzută până acum la microbi permite acestor așa-numite bacterii cablu să depășească o problemă majoră cu care se confruntă multe organisme care trăiesc în noroi: lipsa oxigenului. Absența sa împiedică bacteriile să metabolizeze compuși precum hidrogenul sulfurat pentru alimente. Dar cablurile, prin legarea microbilor de depozitele bogate în oxigen, le permit să reacționeze pe distanțe lungi.

Când Nielsen a descris pentru prima dată descoperirea în 2009, colegii săi au fost sceptici. Philip Meisman, inginer chimist la Universitatea din Anvers, își amintește că s-a gândit: „Aceasta este o prostie completă”. Da, cercetătorii știau că bacteriile pot conduce electricitatea, dar nu la distanțele sugerate de Nielsen. „A fost ca și cum propriile noastre procese metabolice ar putea afecta o distanță de 18 kilometri”, spune microbiologul Andreas Teske de la Universitatea din Carolina de Nord din Chapel Hill.

Dar cu cât cercetătorii au căutat mai mult noroi „electrificat”, cu atât l-au găsit mai mult atât în apă sărată, cât și în apă dulce. Ei au identificat, de asemenea, un al doilea tip de microbi electric iubitor de murdărie: bacterii nanofire, celule individuale care cresc structuri proteice care pot mișca electronii pe distanțe mai scurte.

Acești microbi nanofir se găsesc peste tot, inclusiv în gura omului

Descoperirile obligă cercetătorii să rescrie manuale; să regândească rolul bacteriilor din nămol în procesarea elementelor cheie precum carbonul, azotul și fosforul; și să revizuiască modul în care acestea afectează ecosistemele acvatice și schimbările climatice.

Oamenii de știință caută, de asemenea, aplicații practice, explorând potențialul bacteriilor care conțin cabluri și nanofire pentru a combate poluarea și a alimenta dispozitivele electronice. „Observăm mult mai multe interacțiuni în interiorul microbilor și între microbi folosind electricitate”, spune Meisman. „Eu o numesc biosfera electrică”.

Majoritatea celulelor se dezvoltă prin luarea de electroni dintr-o moleculă, un proces numit oxidare, și transferându-i într-o altă moleculă, de obicei oxigen, numită reducere. Energia câștigată din aceste reacții guvernează alte procese de viață. În celulele eucariote, inclusiv în celulele noastre, astfel de reacții „redox” apar pe membrana interioară a mitocondriilor, iar distanțele dintre ele sunt mici - doar micrometri. Acesta este motivul pentru care atât de mulți cercetători au fost sceptici cu privire la afirmația lui Nielsen că bacteriile cablurilor mișcă electronii printr-un strat de murdărie de dimensiunea unei mingi de golf.

Dispariția hidrogenului sulfurat a fost cheia pentru a demonstra acest lucru. Bacteriile formează un compus în noroi, descompunând resturile vegetale și alte materiale organice; în depozitele mai adânci, hidrogenul sulfurat se acumulează din cauza lipsei de oxigen, ceea ce ajută alte bacterii să o descompună. Cu toate acestea, hidrogenul sulfurat încă a dispărut în paharele lui Nielsen. Mai mult, pe suprafața murdăriei a apărut o nuanță ruginită, ceea ce a indicat formarea de oxid de fier.

Trezindu-se într-o noapte, Nielsen a venit cu o explicație ciudată: ce se întâmplă dacă bacteriile îngropate în noroi ar completa reacția redox, ocolind cumva straturile sărace în oxigen? Ce se întâmplă dacă, în schimb, ar folosi sursa abundentă de hidrogen sulfurat ca donor de electroni și apoi ar canaliza electronii în sus către suprafața bogată în oxigen? Acolo, în procesul de oxidare, se formează rugina dacă este prezent fier.

Găsirea a ceea ce poartă acești electroni s-a dovedit dificilă. În primul rând, Niels Riesgaard-Petersen de la echipa lui Nielsen a trebuit să excludă o posibilitate mai simplă: particulele de metal din sediment transportă electroni la suprafață și provoacă oxidare. El a realizat acest lucru inserând un strat de mărgele de sticlă care nu conduc electricitatea într-un stâlp de murdărie. În ciuda acestui obstacol, cercetătorii au descoperit în continuare un curent electric care se mișcă prin noroi, sugerând că particulele de metal nu erau conductoare.

Pentru a vedea dacă un cablu sau un fir transporta electroni, cercetătorii au folosit apoi sârmă de tungsten pentru a face o tăietură orizontală prin coloana de noroi. Curentul s-a stins, de parcă ar fi fost tăiat un fir. Alte lucrări au redus dimensiunea conductorului, sugerând că acesta ar trebui să aibă cel puțin 1 micrometru în diametru. „Aceasta este dimensiunea normală a bacteriilor”, spune Nielsen.

În cele din urmă, micrografiile electronice au dezvăluit un candidat probabil: fibre bacteriene lungi și subțiri care au apărut într-un strat de mărgele de sticlă introduse în pahare pline cu noroi din portul Aarhus. Fiecare filament a constat dintr-un teanc de celule - până la 2.000 - închise într-o membrană exterioară cu nervuri. În spațiul dintre această membrană și celulele stivuite una peste alta, o multitudine de „sârme” paralele au întins firul pe toată lungimea sa. Aspectul ca un cablu a inspirat numele comun al microbului.

Meisman, un fost sceptic, a fost rapid convertit. La scurt timp după ce Nielsen și-a anunțat descoperirea, Meismann a decis să investigheze una dintre propriile sale mostre de noroi marin. „Am observat aceleași schimbări de culoare în sediment pe care le-a văzut el”, își amintește Meisman. „A fost direcția Mamei Natură să o ia mai în serios”.

Echipa sa a început să dezvolte instrumente și metode pentru cercetarea microbiană, uneori lucrând împreună cu grupul lui Nielsen. A fost greu de mers. Filamentele bacteriene tind să se deterioreze rapid după izolare, iar electrozii standard pentru măsurarea curenților în conductori mici nu funcționează. Dar odată ce cercetătorii au învățat să aleagă un singur fir și să atașeze rapid un electrod individual, „am văzut o conductivitate foarte mare”, spune Meisman. Cablurile sub tensiune nu pot concura cu firele de cupru, a spus el, dar se potrivesc cu conductorii utilizați în panourile solare și ecranele telefoanelor mobile, precum și cu cei mai buni semiconductori organici.

Cercetătorii au analizat, de asemenea, anatomia bacteriilor de cablu. Folosind băi chimice, au izolat învelișul cilindric, constatând că acesta conținea 17 până la 60 de fibre paralele lipite împreună în interior. Învelișul este sursa conducerii, au raportat Meisman și colegii săi anul trecut în Nature Communications. Compoziția sa exactă este încă necunoscută, dar poate fi pe bază de proteine.

„Este un organism complex”, spune Nielsen, care acum conduce Centrul pentru Electro-Microbiologie, creat în 2017 de guvernul danez. Printre problemele pe care le rezolvă centrul se numără producția în masă de microbi în cultură. „Dacă am avea o cultură pură, ar fi mult mai ușor” să testăm idei despre metabolismul celular și efectul mediului asupra conducerii, spune Andreas Schramm de la centru. Bacteriile cultivate vor facilita, de asemenea, izolarea cablurilor și testarea potențialelor aplicații de bioremediere și biotehnologie.

În timp ce cercetătorii se încurcă cu bacteriile din cablu, alții se uită la un alt jucător important în noroiul electric: bacteriile pe bază de nanofire care, în loc să plieze celulele în cabluri, cresc fire de proteine cu lungimea de 20 până la 50 nm de la fiecare celulă.

Ca și în cazul bacteriilor de cablu, compoziția chimică misterioasă a depozitelor a dus la descoperirea microbilor nanofir. În 1987, microbiologul Derek Lovley, acum la Universitatea din Massachusetts Amherst, a încercat să înțeleagă modul în care fosfatul din apele reziduale de îngrășăminte - un nutrient care promovează înflorirea algelor - este eliberat din sedimentele de sub râul Potomac din Washington, DC. a lucrat și a început să le scoată din murdărie. După ce a crescut unul, numit acum Geobacter Metallireducens, el a observat (la microscop electronic) că bacteriile crescuseră legături cu mineralele de fier din apropiere. El a bănuit că electronii erau transportați de-a lungul acestor fire și, în cele din urmă, și-a dat seama că Geobacter a orchestrat reacții chimice în noroi, oxidând compuși organici și transferând electroni în minerale. Aceste minerale reduse eliberează apoi fosfor și alte elemente.

La fel ca Nielsen, Lovely s-a confruntat cu scepticismul atunci când și-a descris pentru prima dată microbul electric. Astăzi, însă, el și alții au înregistrat aproape o duzină de tipuri de microbi nanofir, găsindu-i în alte medii decât murdărie. Mulți transportă electroni către și de la particulele din sediment. Dar unii se bazează pe alți microbi pentru a primi sau stoca electroni. Acest parteneriat biologic permite ambilor microbi să „se angajeze în noi tipuri de chimie pe care niciun organism nu le poate face singur”, spune Victoria Orfan, geobiolog la Institutul de Tehnologie din California. În timp ce bacteriile de cablu își rezolvă nevoile redox, fiind transportate pe distanțe lungi în noroi oxigenat, acești microbi depind unul de metabolismul celuilalt pentru a-și satisface nevoile redox.

Unii cercetători încă dezbat modul în care nanofirele bacteriene conduc electronii. Lovley și colegii săi sunt convinși că cheia sunt lanțuri de proteine numite piline, care sunt formate din aminoacizi circulari. Când el și colegii săi au redus cantitatea de aminoacizi inelați din pilină, nanofirele au devenit mai puțin conductoare. „A fost cu adevărat uimitor”, spune Lovely, pentru că este general acceptat că proteinele sunt izolatori. Alții însă cred că această întrebare este departe de a fi rezolvată. Orfan, de exemplu, spune că, deși „există dovezi copleșitoare… încă nu cred că [conducerea nanofirului] este bine înțeleasă”.

Ceea ce este clar este că bacteriile electrice sunt peste tot. În 2014, de exemplu, oamenii de știință au descoperit bacterii de cablu în trei habitate foarte diferite din Marea Nordului: într-o mlaștină cu sare de maree, într-un bazin al fundului mării unde nivelul de oxigen scade la aproape zero în unele sezoane și într-o câmpie noroioasă inundată de lângă mare. … … ţărm. (Nu le-au găsit într-o zonă nisipoasă locuită de viermi care agita sedimentele și perturbă cablurile.) În altă parte, cercetătorii au găsit dovezi ADN ale bacteriilor din cablu în bazinele oceanice adânci, sărace în oxigen, zone cu izvoare termale și condiții reci. deversări, și mangrove și maluri de maree atât în regiunile temperate cât și subtropicale.

Bacteriile de cablu se găsesc și în mediile de apă dulce. După ce a citit articolele lui Nielsen în 2010 și 2012, o echipă condusă de microbiologul Rainer Meckenstock a reexaminat carotele de sedimente forate în timpul unui studiu de contaminare a apelor subterane din Düsseldorf, Germania. „Am găsit [bacteriile de cablu] exact acolo unde credeam că le vom găsi”, la adâncimi la care oxigenul era epuizat, își amintește Mekenstock, care lucrează la Universitatea din Duisburg-Essen.

Bacteriile nanofire sunt și mai răspândite. Cercetătorii le-au găsit în soluri, câmpuri de orez, intestine adânci și chiar stații de epurare, precum și în sedimente de apă dulce și marine. Ele pot exista oriunde se formează biofilmele, iar ubicuitatea biofilmelor este o dovadă suplimentară a rolului mare pe care îl pot juca aceste bacterii în natură.

Varietatea mare de bacterii de nămol electric sugerează, de asemenea, că acestea joacă un rol important în ecosisteme. De exemplu, prin prevenirea acumulării de hidrogen sulfurat, bacteriile din cablu probabil fac murdăria mai locuibilă pentru alte forme de viață. Meckenstock, Nielsen și alții le-au găsit pe sau în apropierea rădăcinilor ierbii marine și a altor plante acvatice care eliberează oxigen, pe care bacteriile îl folosesc probabil pentru a descompune hidrogenul sulfurat. Aceasta, la rândul său, protejează plantele de gazul toxic. Parteneriatul „pare foarte caracteristic plantelor acvatice”, a spus Meckenstock.

Robert Aller, biogeochimist marin la Universitatea Stony Brook, consideră că bacteriile pot ajuta și multe nevertebrate subacvatice, inclusiv viermii care construiesc vizuini care permit apei oxigenate să intre în noroi. El a găsit bacterii din cablu lipindu-se pe părțile laterale ale tuburilor vierme, probabil pentru a putea folosi acest oxigen pentru a stoca electroni. La rândul lor, acești viermi sunt protejați de hidrogenul sulfurat toxic. „Bacterii fac [vizuina] mai locuibilă”, spune Aller, care a descris linkurile într-un articol din iulie 2019 în Science Advances.

De asemenea, microbii modifică proprietățile murdăriei, spune Saira Malkin, ecologist la Centrul pentru Științe de Mediu al Universității din Maryland. „Sunt deosebit de eficienți… ingineri de ecosistem”. Bacteriile de cablu „cresc ca un incendiu”, spune ea; Pe recifele de stridii de maree, ea a descoperit că un centimetru cub de noroi poate conține 2.859 de metri de cabluri care cimentează particulele în loc, făcând posibil sedimentul mai rezistent la organismele marine.

Bacteriile modifică, de asemenea, chimia murdăriei, făcând straturile mai apropiate de suprafață mai alcaline și straturile mai profunde mai acide, a descoperit Malkin. Astfel de gradienți de pH pot afecta „numeroase cicluri geochimice”, inclusiv cele asociate cu arsen, mangan și fier, a spus ea, creând oportunități pentru alți microbi.

Deoarece mari zone ale planetei sunt acoperite de noroi, spun cercetatorii, bacteriile asociate cu cablurile si nanofirele ar putea avea un impact asupra climei globale. Bacteriile nanofire, de exemplu, pot prelua electroni din materiale organice precum diatomeele moarte și apoi îi pot transmite altor bacterii care produc metan, un puternic gaz cu efect de seră. În diferite circumstanțe, bacteriile cablurilor pot reduce producția de metan.

În următorii ani, „vom vedea recunoașterea pe scară largă a importanței acestor microbi pentru biosferă”, spune Malkin. La puțin peste zece ani după ce Nielsen a observat dispariția misterioasă a hidrogenului sulfurat din noroiul Aarhus, el spune: „Este amețitor să ne gândim la ce avem de-a face aici”.

Următorul: un telefon alimentat cu fire microbiene?

Pionierii microbilor electrici s-au gândit rapid cum să folosească aceste bacterii.„Acum că știm că evoluția a fost capabilă să creeze fire electrice, ar fi păcat să nu le folosim”, spune Lars Peter Nielsen, microbiolog la Universitatea din Aarhus.

O aplicație posibilă este detectarea și controlul poluanților. Microbii de cablu par să prospere în prezența compușilor organici precum petrolul, iar Nielsen și echipa sa testează posibilitatea ca abundența bacteriilor de cablu să semnaleze prezența unei poluări nedescoperite în acvifere. Bacteriile nu degradează direct uleiul, dar pot oxida sulfura produsă de alte bacterii uleioase. Ele pot ajuta, de asemenea, la curățare; ploaia se recuperează mai repede din contaminarea cu petrolul brut atunci când este colonizat de bacterii din cablu, a raportat un alt grup de cercetare în ianuarie în jurnalul Water Research. În Spania, o a treia echipă investighează dacă bacteriile nanofire pot accelera curățarea zonelor umede poluate. Și chiar înainte ca bacteriile pe bază de nanofire să fie electrice, ele au arătat promisiunea de a decontamina deșeurile nucleare și acviferele contaminate cu hidrocarburi aromatice precum benzenul sau naftalina.

Bacteriile electrice pot da naștere și la noi tehnologii. Ele pot fi modificate genetic pentru a-și modifica nanofirele, care pot fi apoi tăiate pentru a forma coloana vertebrală a senzorilor portabili sensibili, potrivit Derek Lovley, microbiolog la Universitatea din Massachusetts (UMass), Amherst. „Putem proiecta nanofire și să le adaptăm pentru a lega în mod specific compușii de interes”. De exemplu, în numărul Lovely din Nano Research din 11 mai, inginerul UMass Jun Yao și colegii lor au descris un senzor pe bază de nanofire care detectează amoniacul în concentrațiile necesare pentru aplicații agricole, industriale, de mediu și biomedicale.

Create ca un film, nanofirele pot genera electricitate din umiditatea din aer. Cercetatorii cred ca filmul genereaza energie atunci cand apare un gradient de umiditate intre marginile de sus si de jos ale filmului. (Marginea de sus este mai susceptibilă la umiditate.) Pe măsură ce atomii de hidrogen și oxigen ai apei se separă din cauza gradientului, se generează sarcină și electronii curg. Yao și echipa sa au raportat în Nature pe 17 februarie că un astfel de film ar putea crea suficientă energie pentru a aprinde o diodă emițătoare de lumină, iar 17 astfel de dispozitive conectate împreună ar putea alimenta un telefon mobil. Abordarea este „o tehnologie revoluționară pentru generarea de energie regenerabilă, curată și ieftină”, spune Qu Lianti, om de știință în materiale la Universitatea Tsinghua. (Alții sunt mai precauți, observând că încercările anterioare de a stoarce energia din umiditate folosind grafen sau polimeri nu au avut succes.)

În cele din urmă, cercetătorii speră să valorifice abilitățile electrice ale bacteriilor fără a avea de-a face cu microbi pretențioși. Catch, de exemplu, a convins laboratorul comun și bacteria industrială Escherichia coli să facă nanofire. Acest lucru ar trebui să faciliteze pentru cercetători să producă în masă structurile și să studieze aplicațiile lor practice.