Вырабатывающие электричество бактерии могут помочь в борьбе с изменением климата

Фото из открытых источников

В кислородно-голодных расщелинах мира — в кишечнике, глубоководных источниках, канализационных трубах — некоторые бактерии делают что-то совершенно необычное. Вместо того чтобы вдыхать кислород, как мы, они выталкивают электроны из своих клеток, генерируя в процессе электричество. Теперь ученые раскрыли точный механизм, стоящий за этим микробным волшебным трюком, — и он может просто изменить будущее чистой энергии.

Исследователи из Университета Райса, работающие с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего, обнаружили, как некоторые бактерии могут «дышать», высвобождая электроны на внешние поверхности. Этот процесс, известный как внеклеточное дыхание, десятилетиями озадачивал ученых. Но в исследовании, опубликованном в Cell, команда раскрыла, как распространенные бактерии, такие как Escherichia coli, проворачивают этот электрический подвиг.

«Этот недавно открытый механизм дыхания — простой и гениальный способ сделать работу», — сказал соавтор исследования Бики Бапи Кунду. «Нафтохиноны действуют как молекулярные курьеры, перенося электроны из клетки, чтобы бактерии могли расщеплять пищу и вырабатывать энергию».

Дыхание, по сути, связано с перемещением электронов. У людей и большинства других организмов кислород выступает в качестве конечного пункта назначения для этих электронов, помогая высвобождать энергию, запасенную в пище. Но жизнь эволюционировала задолго до того, как в атмосфере Земли появилось много кислорода. Бактерии должны были найти другой способ.

Кунду и его коллеги показали, что E. coli, модельный организм, обнаруженный в наших кишечниках и лабораторных колбах по всему миру, может выживать без кислорода, используя небольшую молекулу — 2-гидрокси-1,4-нафтохинон (HNQ) — для переноса электронов изнутри клетки наружу. Этот процесс опосредован двумя ферментами: NfsB и NfsA, частью класса, известного как нитроредуктазы. Вместе они обеспечивают то, что ученые называют опосредованным внеклеточным переносом электронов, или EET.

Затем электроны перемещаются на проводящие поверхности, по сути, превращая бактерии в живые батарейки.

«Это решает давнюю научную загадку», — сказала соавтор исследования профессор Кэролайн Аджо-Франклин. «Но это также указывает на новую и потенциально распространенную стратегию выживания в природе».

Команда также провела компьютерное моделирование в сотрудничестве с лабораторией Бернхарда Палссона в Калифорнийском университете в Сан-Диего, моделируя, как бактерии будут расти в бескислородном мире, усеянном электродами. Моделирование подтвердилось в реальных экспериментах: бактерии, помещенные на проводящие материалы, продолжали процветать, разряжая электроны по мере своего продвижения.

Еще более интригующе то, что бактерии быстро адаптировались. После кратковременного воздействия электродных поверхностей у E. coli развилась специфическая мутация в гене OmpC, который кодирует белок во внешней мембране. Эта мутация помогла бактериям еще лучше расти на аноде.

Другими словами, эти бактерии не только могут дышать электричеством, но и эволюционируют, делая это более эффективно.

Это открытие имеет вес, выходящий далеко за рамки академического любопытства. Бактерии, которые выдыхают электричество, могут стать жизненно важными инструментами в биотехнологиях и энергетических системах.

«Наша работа закладывает основу для использования углекислого газа с помощью возобновляемой электроэнергии, где бактерии функционируют аналогично растениям при фотосинтезе на солнечном свете», — сказал Аджо-Франклин.

Такие бактериальные системы могли бы улучшить очистку сточных вод, помочь стабилизировать несбалансированные промышленные ферментации или даже включить биоэлектронные датчики в экстремальных условиях, от глубоких шахт до открытого космоса. В анаэробных зонах, где традиционные датчики не работают, дышащие электричеством микробы могли бы действовать как сигнализаторы химических изменений в реальном времени.

Последствия особенно интересны для улавливания углерода. Если их правильно спроектировать, эти микробы однажды смогут помочь преобразовать углекислый газ в полезное топливо или соединения, работающие на электричестве из возобновляемых источников.

Десятилетиями внеклеточное дыхание было чем-то вроде научного черного ящика. Исследователи могли видеть эффекты — токи на электродах, постоянный рост бактерий, — но не внутреннюю проводку. Теперь эта тайна начинает раскрываться.

Что особенно поражает, так это простота решения. Вместо того, чтобы строить сложные белковые цепи, подобные тем, что находятся в митохондриях, эти бактерии полагаются на небольшие молекулы и общие ферменты. Эта простота, говорят исследователи, предполагает, что эта форма дыхания может быть гораздо более распространена в природе, чем кто-либо предполагал.

И кишечная палочка — давняя «рабочая лошадка» молекулярной биологии — может оказаться только началом.

В мире, который все больше формируется под влиянием двойного кризиса спроса на энергию и изменения климата, может оказаться, что некоторые из наших самых неожиданных союзников уже здесь — тихо испускают электроны в темноте.