Бактерии вынудили вырабатывать электричество

В пробирках с оранжевым раствором находятся очищенные кристаллы DFSO+.

Фото Zachary Rengert.

Микрофотография электрогенных бактерий на поверхности электрода.

Фото Nathan D. Kirchhofer.

Авторы работы (слева направо): Натан Кирхгофер, Закари Ренгерт (Zachary Rengert) и Гильермо Базан (Guillermo Bazan).

Фото Sonia Fernandez.

В мире бактерий можно обнаружить множество удивительных талантов, среди которых числится и выработка электрического тока. Это свойство уже нашло применение, например, в очистке сточных вод, но параллельно является объектом активного изучения. Например, недавно учёные выяснили, что если вырастить микроорганизмы родов Geobacter и Rhodopseudomonas на магнетите, то первые будут отдавать электроны этому минералу, а вторые – забирать, образуя тем самым, настоящий живой аккумулятор.

Авторов нового исследования вдохновила бактерия Shewanella oneidensis штамма MR-1, которую впервые обнаружили в озере Онайда (США) около 30 лет назад. Этот микроорганизм может существовать как в кислородной, так и в бескислородной среде и обладает врождённой способностью генерировать электричество.

Учёные из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре под руководством Гильермо Базана (Guillermo Bazan) решили разработать на основе этого процесса модифицированный микробный топливный элемент. Для выработки энергии S. oneidensis используют железо и другие полезные ископаемые. Посредниками для передачи электронов от бактерии в этом случае служат специальные трансмембранные белки. Строго говоря, энергия вырабатывается в процессе дыхания микроорганизмов, в котором роль привычного нам кислорода играют составляющие минералов.

Исследователи предположили, что мембрану бактерии, которая эволюционно не вырабатывает электроэнергию, можно модифицировать, чтобы искусственно добавить ей такую способность. Для реализации задумки учёные разработали железосодержащую молекулу DFSO+, которая может встраиваться в клеточную мембрану, и по структуре и функциям идентична оригинальным белкам микроорганизма.

Молекулярную добавку растворили в воде и обработали ею колонии модифицированных бактерий S. oneidensis, которые были лишены способности вырабатывать электричество. Спустя несколько минут молекулы DFSO+ успешно встроились в мембраны микроорганизмов и приступили к проведению электрического тока при помощи атома железа в своём центре, обеспечивая тем самым новый путь для электронов из клетки наружу. И делали они это с большей эффективностью, чем природные аналоги.

Микрофотография электрогенных бактерий на поверхности электрода.

"Мы просто поспособствовали привычному метаболизму бактерий", — рассказывает ведущий автор исследования Натан Кирхгофер (Nathan Kirchhofer) в пресс-релизе университета. — Я думаю, что очень немногие учёные подошли к подобному вопросу со стороны химической модификации. На самом деле мы просто взяли бактерии и добавили внешний агент, который помогает течению их собственных процессов. Насколько нам известно, мы стали первыми исследователями, кто смог продемонстрировать действенность такого подхода".

В своей статье, опубликованной в журнале Chem, авторы работы сообщают, что на данный момент им удалось добиться того, чтобы молекулы DFSO+ оставались в мембранах бактерий на протяжении нескольких недель. Разумеется, этого недостаточно для долгосрочной выработки электроэнергии, но их результаты обнадёживают и открывают новое направление исследований в области энергетики.

"Наша молекула, которая заменяет белок, изменяет свойства мембраны, эффективно доставляя электроны к её поверхности, тем самым облегчая дыхание бактерии, — добавляет доктор Базан. — Этот энергогенерирующий трюк позволяет нам взглянуть на поведение микроорганизмов с новой стороны и даёт возможность управлять ими".

Интересно, что в настоящее время большинство модификаций различных организмов проводится методом генной инженерии. Но в этом случае возникает проблема ограничения области их применения, поскольку их нельзя выпускать в окружающую среду, где они могут распространить свои гены среди "диких" собратьев. Химическая модификация в этом плане выигрывает, поскольку всегда можно запрограммировать вывод встроенного молекулярного агента, если это будет необходимо.

Именно поэтому доктор Базан уверен, что его модифицированные бактерии будут востребованы при очистке сточных вод. В будущем исследователи рассчитывают добиться того, чтобы электричество, вырабатываемое микроорганизмами, можно было использовать для компенсирования энергетических затрат на ту самую очистку.

Среди материалов "Вести.Наука" также можно найти описание и других необычных особенностей бактерий. На первом месте, конечно же, стоят микроорганизмы-экстремофилы, которые живут и процветают там, где жизнь кажется в принципе невозможной. Также, например, можно вспомнить бактерий, которые "дышат" ураном.