Кабельные бактерии проводят протоны на расстояние более 100 микрометров

Исследователи из Военно-морской исследовательской лаборатории США и Орхусского университета (Дания) подтвердили протонную проводимость на расстояниях, превышающих 100 микрометров, вдоль нитевидных Desulfobulbaceae, обычно называемых кабельными бактериями. Результаты дают представление о механизмах микробного транспорта протонов и открывают пути для применения в биоэлектронике.

Электрические каналы в осадке позволяют микробам переносить электроны на расстояния в сантиметровом масштабе. Наблюдения показывают, что кабельные бактерии могут управлять локальными химическими сдвигами в осадке, связывая окисление серы с восстановлением кислорода, тем самым изменяя градиенты pH.

Задокументированные эффекты включают подкисление в более глубоких слоях и более щелочные условия вблизи интерфейсов осадок-вода. Пока неясно, приводит ли эта локализованная активность к более широкому воздействию на окружающую среду. Понимание этих механизмов может послужить более широким исследованиям микробной коммуникации и проектирования биопротонных устройств, что приведет к лучшему пониманию естественных потоков энергии в осадочных средах.

Протонная проводимость наблюдалась в широком спектре биотических материалов. Измерение протонной проводимости на внешней поверхности бактериальных клеток остается неуловимой задачей, поскольку бактерии, помещенные на протоды (протон-несущий эквивалент электрода), имеют тенденцию демонстрировать плохой и непостоянный контакт.

В приложениях, в которых предпринимались попытки создания биологических вычислений, традиционные методы обработки полупроводников сталкиваются с ограничениями, связанными с чувствительностью биологических материалов к высоким температурам, органическим растворителям, высокому вакууму и УФ-излучению.

В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые применили модифицированную технологию трансферной печати для измерения протонной проводимости, решив такие проблемы, как хрупкость бактериальных клеток и нестабильный контакт электродов.

Палладиевые интерштыревые протоды и другие электроды были прикреплены к образцам неживых кабельных бактерий. Измерения проводились в контролируемых условиях температуры и влажности.

Испытания с использованием газообразного дейтерия (D2) , который заменяет протоны на более медленно движущиеся ионы дейтерия, показали снижение проводимости, что подтверждает роль переноса протонов через механизм Гротгуса.

Этот процесс основан на обмене водородными связями в молекулах воды, образующих непрерывные протонные пути на поверхности бактерий, где протон перемещается через сеть водородных связей, образованную между молекулами воды (H 2 O) и ионами гидроксония (H 3 O +).

Специально созданная климатическая камера с линейной вольтамперометрией развертки позволяла точно регулировать относительную влажность (RH), при этом увлажненный водород (H 2) обеспечивал протоны для тестирования проводимости. Чтобы различать протонную и электронную проводимость, в качестве контроля использовались золотые электроды (которые блокируют поток протонов).

Результаты подтвердили, что протонная проводимость меняется в зависимости от уровня влажности, показывая 26-кратное увеличение между 60% и 80% относительной влажности. Проводимость достигла пика при 114 ± 28 мкСм см -1 при 70% относительной влажности и 25°C, что подтверждает гипотезу о том, что перенос протонов происходит через связанные с водой протонные провода по механизму Гротгуса.

Сравнительные исследования с непроводящими нитчатыми бактериями, такими как Microcoleus, подтвердили, что наблюдаемая проводимость присуща бактериям, живущим в кабеле, а не является результатом того, что вода сама по себе формирует непрерывные каркасы механизма Гротгуса.

Исследователи также оценили контактное сопротивление и удельное сопротивление между бактериальными поверхностями и электродами. Хотя протонная проводимость кабельных бактерий была ниже, чем у синтетических микропроводов, результаты выявили потенциал микробных интерфейсов в биоэлектронике.

Хотя эволюционное или экологическое значение протонной проводимости в кабельных бактериях и ее потенциальная роль в межвидовых взаимодействиях еще не полностью определены, авторы предполагают, что протонная проводимость может влиять на микробные взаимодействия и транспорт протонов в окружающей среде. Результаты закладывают основу для будущих исследований кабельных бактерий в микробных сообществах.