Новости химической науки > живые электроцепи, построенные из бактерий

Рассматривая фотографии бактерий, биологи удивились, когда увидели, что микробы были соединены какими-то штырями. Где их нашли бактерии? Зачем они им нужны?

Чтобы поддержать связь между собой, этим бактериям пришлось построить линию электропередачи (фото с сайта newscientisttech.com).

Если посмотреть издалека, то это похоже на какую-то непонятную хаотическую смесь зубочисток и фасоли или чего-то такого. Но с первого взгляда трудновато догадаться, что речь идёт о наноразмерах. А уж если и догадаешься, то не сразу понимаешь, о чём всё-таки разговор – о микробиологии или нанотехнологиях. Неужели учёные забросали бактерии какими-нибудь искусственными нанотрубками? Оказывается, нет — бактерии и сами неплохо разбираются в нанотехнологиях.

Всё началось с исследований микробиолога Юрия Горби (Yuri Gorby) из тихоокеанской северо-западной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory — PNAS), который заметил, что микробы, перерабатывающие токсичные металлы, вытягивают с поверхности своей мембраны тонкие жгутики. Он подумал, что такая анатомическая странность должна быть связана с какими-то специфическими особенностями этих "металлоперерабатывающих" бактерий.

Несколько бактерий Shewanella собираются в электрическую цепь. Вверху: фото, сделанное через сканирующий электронный микроскоп. Внизу: снимок через флюоресцентный микроскоп (фото с сайта eurekalert.org).

Когда Юрий поделился результатами своих наблюдений, некоторые коллеги сказали, что видели в своих опытах что-то похожее. Разумеется, скоро возникли предположения, что если бактерии работают с металлами, то наверняка можно говорить и об электрическом токе. Позже они оправдались.

Впрочем, скоро выяснилось, что похожие органы появлялись и у бактерий, вовлечённых в другие процессы, например, фотосинтеза и ферментации.

Использование высокоточной электронной микроскопии показало, что бактерии, "размахивающие" вырастающими жгутами, похоже, довольно распространённое явление.

Тут надо заметить, что с серией этих исследований учёным просто фантастически повезло. Видимо, это тот редкий случай, когда экспериментатор выдвигает гипотезу, и она сразу же оправдывается.

Так, исследователи предположили, что жгутики у бактерий вырастают не спонтанно, а какой-то определённой целью. Например, для компенсации чего-либо. Так и оказалось.

У бактерий Shewanella, перерабатывающих токсичные растворы в безобидные, ситуация дисбаланса состояла в возникновении "лишних" электронов, и ещё для нормального существования ей был необходим кислород. А, например, цианобактериям Synechocystis во время фотосинтеза нужен был диоксид углерода, и была всё та же проблема с избытком электронов.

Здесь приводится сравнение электронных микроснимков разных бактерий (левая колонка) и их выростов (правая колонка). Вверху – Synechocystis, бактерия, участвующая в фотосинтезе. Внизу — Pelotomaculum thermopropionicum, "промышляющая" ферментированием (фото с сайта pnl.gov).

Учёные заставили микроорганизмы "работать" в тяжёлых условиях, снижая в среде концентрацию этих необходимых веществ. Вот бактерии и вытягивали шипы, чтобы дотянуться если не до кислорода, то до ближайшей бактерии, у которой такой доступ мог быть. Если же в опыте питания совсем не хватало, то шипы превращались в тонкие длинные жгуты, которые должны были обеспечить больше возможностей для устранения возникшего дисбаланса.

Эти неожиданно возникающие органы исследователи оправданно назвали нанонитями – их толщина от 10 до 150 нанометров, а длина достигает порой десятков микрометров, в зависимости от видов бактерий.

Юрий Горби считает, что важно хорошо разобраться, каким образом бактерии формируют свои нанопровода. В частности, неплохо бы понять, какую роль играет среда, в которой находятся микроорганизмы. Когда учёные узнают это, возможно, получится сделать батарейки на основе бактерий (фото с сайта sysbio.org).

Впрочем, оказалось, что это даже не нанонити, а прямо-таки нанопровода: получая нужное "питание", бактерии могли освободиться от лишних электронов, которые перемещались бы по этим "проводам". И если конец нити дотягивался до положительного иона, нужного "для пропитания", то возникала разность потенциалов, что приводило к движению электронов к ионам – возникал электрический ток!

Чем более "трудными" были условия, тем длиннее становились жгутики, и больше бактерий объединялось в своеобразное электрическое сообщество, обменивавшееся ресурсами по живой и очень разветвлённой электрической сети.

Каков физиологический механизм выращивания таких "проводов" – пока неясно. Но эффективность распределения энергии, используемая одной из самых древних и устойчивых форм жизни, не может не впечатлять.

Понятно, что эти бактерии могут использоваться в качестве источника энергии. Опыты, проведённые Горби вместе с коллегами, показали, что ток действительно есть, но он слишком мал. Впрочем, учёные не унывают, считая, что их открытие пока что только указывает направление для дальнейшей работы, и появление нового альтернативного источника энергии вполне возможно.

источник: Membrana.Ru