Elektrik naqilləri yaradan sirli bakteriyalar

2024 Müəllif: Seth Attwood | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2023-12-16 15:57

Lars Peter Nielsen üçün hər şey hidrogen sulfidin müəmmalı şəkildə yoxa çıxması ilə başladı. Mikrobioloq Danimarkadakı Orhus limanının dibindən qara, iyli palçığı topladı, onu böyük şüşə şüşələrə atdı və palçığın kimyəvi tərkibində dəyişiklikləri aşkar edən xüsusi mikrosensorlar qoydu.

Təcrübənin əvvəlində kompozisiya çöküntünün qoxu və rənginin mənbəyi olan hidrogen sulfid ilə doymuşdur. Lakin 30 gündən sonra bir kir zolağı solğunlaşdı ki, bu da hidrogen sulfid itkisini göstərir. Nəhayət, mikrosensorlar bütün əlaqənin kəsildiyini göstərdi. Elm adamlarının palçığın biogeokimyası haqqında bildiklərini nəzərə alsaq, Orhus Universitetindən Nielsen xatırlayır, "bu heç bir məna kəsb etmirdi".

Onun sözlərinə görə, ilk izahat sensorların səhv olması olub. Lakin səbəb daha qəribə oldu: hüceyrələri birləşdirən bakteriyalar kirdən 5 santimetrə qədər cərəyan keçirə bilən elektrik kabelləri yaradır.

Mikroblarda daha əvvəl heç vaxt görülməmiş uyğunlaşma bu sözdə kabel bakteriyalarına palçıqda yaşayan bir çox orqanizmin üzləşdiyi əsas problemi aradan qaldırmağa imkan verir: oksigen çatışmazlığı. Onun olmaması adətən bakteriyaların qida üçün hidrogen sulfid kimi birləşmələri metabolizə etməsinə mane olur. Lakin kabellər mikrobları oksigenlə zəngin çöküntülərə bağlayaraq, onlara uzun məsafələrdə reaksiya verməyə imkan verir.

Nielsen ilk dəfə 2009-cu ildə kəşfi təsvir edərkən, həmkarları buna şübhə ilə yanaşırdılar. Antverpen Universitetində kimya mühəndisi olan Philip Meisman, "Bu, tamamilə cəfəngiyatdır" düşüncəsini xatırlayır. Bəli, tədqiqatçılar bakteriyaların elektrik cərəyanını keçirə biləcəyini bilirdilər, lakin Nielsenin təklif etdiyi məsafələrdə yox. Chapel Hilldəki Şimali Karolina Universitetinin mikrobioloqu Andreas Teske deyir: "Sanki bizim öz metabolik proseslərimiz 18 kilometr məsafəyə təsir göstərə bilərdi".

Lakin tədqiqatçılar nə qədər çox “elektrikləşdirilmiş” palçıq axtarsalar, onu həm duzda, həm də şirin suda bir o qədər çox tapdılar. Onlar həmçinin ikinci növ kir sevən elektrik mikrobunu müəyyən etdilər: nanotel bakteriyaları, elektronları daha qısa məsafələrdə hərəkət etdirə bilən zülal strukturlarını inkişaf etdirən fərdi hüceyrələr.

Bu nanotel mikrobları hər yerdə, o cümlədən insanın ağzında olur

Kəşflər tədqiqatçıları dərslikləri yenidən yazmağa məcbur edir; karbon, azot və fosfor kimi əsas elementlərin emalında palçıq bakteriyalarının rolunu yenidən nəzərdən keçirmək; və onların su ekosistemlərinə və iqlim dəyişikliyinə necə təsir etdiyini nəzərdən keçirin.

Elm adamları həmçinin çirklənmə və elektrik enerjisi ilə işləyən elektron cihazlarla mübarizə aparmaq üçün tərkibində kabellər və nanotellər olan bakteriyaların potensialını araşdıraraq praktik tətbiqlər axtarırlar. Meisman deyir: "Biz mikroblar arasında və elektrikdən istifadə edən mikroblar arasında daha çox qarşılıqlı əlaqə görürük". "Mən bunu elektrik biosferi adlandırıram."

Əksər hüceyrələr bir molekuldan elektronları alaraq, oksidləşmə adlanan proses və onları reduksiya adlanan başqa bir molekula, adətən oksigenə köçürməklə inkişaf edir. Bu reaksiyalardan əldə edilən enerji digər həyat proseslərini idarə edir. Eukaryotik hüceyrələrdə, o cümlədən bizim hüceyrələrdə belə "redoks" reaksiyaları mitoxondrilərin daxili membranında baş verir və onların arasındakı məsafələr kiçikdir - cəmi mikrometrlər. Buna görə bir çox tədqiqatçı Nielsenin kabel bakteriyalarının elektronları qolf topu böyüklüyündə bir kir təbəqəsi vasitəsilə hərəkət etdirdiyi iddiasına şübhə ilə yanaşırdı.

Hidrogen sulfidin yox olması bunu sübut etmək üçün əsas idi. Bakteriyalar palçıqda birləşmə əmələ gətirir, bitki qalıqlarını və digər üzvi materialları parçalayır; daha dərin yataqlarda hidrogen sulfid oksigen çatışmazlığı səbəbindən toplanır və bu, digər bakteriyaların onu parçalamasına kömək edir. Bununla belə, hidrogen sulfid hələ də Nielsenin şüşələrində yoxa çıxdı. Üstəlik, çirkin səthində dəmir oksidinin meydana gəldiyini göstərən paslı bir rəng meydana gəldi.

Bir gecə yuxudan oyanan Nilsen qəribə bir izahat tapdı: əgər palçığa basdırılmış bakteriyalar oksigensiz təbəqələri birtəhər keçərək redoks reaksiyasını tamamlasaydı? Bunun əvəzinə onlar elektron donor kimi bol hidrogen sulfid ehtiyatından istifadə edib, sonra elektronları oksigenlə zəngin səthə doğru yönləndirsələr nə olardı? Orada oksidləşmə prosesində dəmir varsa, pas əmələ gəlir.

Bu elektronları nəyin daşıdığını tapmaq çətinləşdi. Əvvəlcə Nielsenin komandasından Niels Riesgaard-Petersen daha sadə bir ehtimalı istisna etməli idi: çöküntüdəki metal hissəciklər elektronları səthə aparır və oksidləşməyə səbəb olur. O, buna elektrik cərəyanını keçirməyən şüşə muncuq qatını kir sütununa yerləşdirməklə bacarıb. Bu maneəyə baxmayaraq, tədqiqatçılar hələ də palçıqda hərəkət edən bir elektrik cərəyanı tapdılar və bu metal hissəciklərin keçirici olmadığını irəli sürdülər.

Kabel və ya naqilin elektron daşıyıb-daşımadığını görmək üçün tədqiqatçılar palçıq sütununu üfüqi şəkildə kəsmək üçün volfram məftilindən istifadə etdilər. Cərəyan söndü, sanki naqil kəsilib. Digər işlər dirijorun ölçüsünü daraltdı və onun diametrinin ən azı 1 mikrometr olmasını təklif etdi. "Bu, bakteriyaların normal ölçüsüdür" deyir Nielsen.

Nəhayət, elektron mikroqrafiklər ehtimal olunan namizədi ortaya qoydu: Orhus limanından palçıqla doldurulmuş şüşələrə daxil edilmiş şüşə muncuq təbəqəsində görünən uzun, nazik bakterial liflər. Hər bir filament qabırğalı xarici membranla əhatə olunmuş hüceyrə yığınından - 2000-ə qədər - ibarət idi. Bu membranla üst-üstə yığılmış hüceyrələr arasındakı boşluqda çoxlu paralel "tellər" ipi bütün uzunluğu boyunca uzatdı. Kabel kimi görünüşü mikrobun ümumi adını ilhamlandırdı.

Keçmiş skeptik olan Meysman tez bir zamanda çevrildi. Nielsen kəşfini elan etdikdən qısa müddət sonra Meismann öz dəniz palçığı nümunələrindən birini araşdırmaq qərarına gəldi. Meysman xatırlayır: "Mən onun gördüyü çöküntüdə eyni rəng dəyişikliklərini müşahidə etdim". "Ana Təbiətin göstərişi idi ki, ona daha ciddi yanaşsınlar."

Onun komandası mikrob tədqiqatı üçün alətlər və üsullar hazırlamağa başladı, bəzən Nielsenin qrupu ilə birlikdə işləyirdi. Getmək çətin idi. Bakterial filamentlər izolyasiyadan sonra tez pisləşir və kiçik keçiricilərdə cərəyanların ölçülməsi üçün standart elektrodlar işləmir. Meysman deyir ki, tədqiqatçılar tək bir tel seçib tez bir zamanda fərdi elektrodu bağlamağı öyrəndikdən sonra "biz həqiqətən yüksək keçiricilik gördük". Onun sözlərinə görə, canlı kabellər mis məftillərlə rəqabət apara bilməz, lakin onlar günəş panellərində və mobil telefon ekranlarında istifadə olunan keçiricilərə, eləcə də ən yaxşı üzvi yarımkeçiricilərə uyğun gəlir.

Tədqiqatçılar həmçinin kabel bakteriyalarının anatomiyasını da təhlil ediblər. Kimyəvi vannalardan istifadə edərək, silindrik qabığı təcrid etdilər və onun içərisində bir-birinə yapışdırılmış 17-60 paralel lif olduğunu tapdılar. Meysman və həmkarları keçən il Nature Communications-da bildirdilər ki, qabıq keçiricilik mənbəyidir. Onun dəqiq tərkibi hələ məlum deyil, lakin zülal əsaslı ola bilər.

Hazırda Danimarka hökuməti tərəfindən 2017-ci ildə yaradılmış Elektro-Mikrobiologiya Mərkəzinə rəhbərlik edən Nielsen deyir: “Bu, mürəkkəb orqanizmdir. Mərkəzin həll etdiyi problemlər arasında mədəniyyətdə mikrobların kütləvi istehsalı da var. Mərkəzdən Andreas Şramm deyir ki, “təmiz bir mədəniyyətimiz olsaydı, hüceyrə mübadiləsi və ətraf mühitin keçiriciliyə təsiri haqqında fikirləri sınamaq daha asan olardı”. Yetişdirilmiş bakteriyalar həmçinin kabel naqillərini izolyasiya etməyi və potensial bioremediasiya və biotexnologiya tətbiqlərini sınaqdan keçirməyi asanlaşdıracaq.

Tədqiqatçılar kabeldəki bakteriyalar üzərində baş sındırarkən, digərləri elektrik palçığında başqa bir əsas oyunçuya baxırlar: hüceyrələri kabellərə qatlamaq əvəzinə, hər hüceyrədən 20-50 nm uzunluğunda zülal telləri yetişdirən nanotel əsaslı bakteriyalar.

Kabel bakteriyalarında olduğu kimi, çöküntülərin sirli kimyəvi tərkibi nanotelli mikrobların kəşfinə səbəb oldu. 1987-ci ildə, hazırda Massaçusets Amherst Universitetində olan mikrobioloq Derek Lovley, Vaşinqtonda, Potomak çayının altındakı çöküntüdən yosunların çiçəklənməsini təşviq edən bir qida maddəsi olan gübrə çirkab sularından fosfatın necə ayrıldığını anlamağa çalışdı. işləyib onları kirdən təmizləməyə başladı. İndi Geobacter Metallireducens adlanan birini böyüdükdən sonra (elektron mikroskop altında) bakteriyaların yaxınlıqdakı dəmir mineralları ilə bağlar artırdığını gördü. O, elektronların bu naqillər boyunca daşındığından şübhələndi və nəhayət, Geobacter-in palçıqda kimyəvi reaksiyalar təşkil etdiyini, üzvi birləşmələri oksidləşdirdiyini və elektronları minerallara köçürdüyünü anladı. Bu azalmış minerallar daha sonra fosfor və digər elementləri buraxır.

Nielsen kimi, Lovely də elektrik mikrobunu ilk dəfə təsvir edərkən şübhə ilə üzləşdi. Bununla belə, bu gün o və başqaları təxminən onlarla növ nanotel mikrobunu qeydə alıb və onları çirkdən başqa mühitlərdə tapıblar. Bir çoxları çöküntüdəki hissəciklərə və oradan elektronları daşıyır. Ancaq bəziləri elektronları qəbul etmək və ya saxlamaq üçün digər mikroblara güvənir. Kaliforniya Texnologiya İnstitutunun geobioloqu Viktoriya Orfan deyir ki, bu bioloji tərəfdaşlıq hər iki mikrobun "heç bir orqanizmin təkbaşına edə bilməyəcəyi yeni kimya növləri ilə məşğul olmağa" imkan verir. Kabel bakteriyaları redoks ehtiyaclarını uzun məsafələrə oksigenli palçığa daşıyaraq həll edərkən, bu mikroblar redoks ehtiyaclarını qarşılamaq üçün bir-birlərinin maddələr mübadiləsindən asılıdırlar.

Bəzi tədqiqatçılar hələ də bakterial nanotellərin elektronları necə keçirməsi ilə bağlı mübahisə edirlər. Lovley və onun həmkarları əmindirlər ki, açarlar dairəvi amin turşularından ibarət olan pilinlər adlanan zülal zəncirləridir. O və həmkarları pilində halqalı amin turşularının miqdarını azaltdıqda, nanotellər daha az keçirici oldu. "Bu, həqiqətən heyrətamiz idi" dedi Lovely, çünki zülalların izolyator olduğu ümumiyyətlə qəbul edilir. Ancaq başqaları bu sualın həll olunmaqdan uzaq olduğunu düşünür. Məsələn, Yetim deyir ki, "çox böyük sübutlar olsa da… Mən hələ də [nanotelin keçiriciliyinin] yaxşı başa düşüldüyünü düşünmürəm".

Aydın olan şey elektrik bakteriyalarının hər yerdə olmasıdır. Məsələn, 2014-cü ildə alimlər Şimal dənizində üç çox fərqli yaşayış mühitində kabel bakteriyalarını aşkar etdilər: gelgit duzlu bataqlıqda, bəzi fəsillərdə oksigen səviyyəsinin demək olar ki, sıfıra endiyi dəniz dibi hövzəsində və dənizə yaxın su basmış palçıqlı düzənlikdə. … … sahil. (Onları çöküntüləri yandıran və kabelləri pozan qurdların yaşadığı qumlu ərazidə tapmadılar.) Başqa yerlərdə tədqiqatçılar dərin, oksigensiz okean hövzələrində, isti bulaq ərazilərində və soyuq şəraitdə kabel bakteriyalarına dair DNT dəlilləri tapdılar. dağılmalar, həm mülayim, həm də subtropik bölgələrdə mangrovlar və gelgit sahilləri.

Kabel bakteriyalarına şirin su mühitlərində də rast gəlinir.2010 və 2012-ci illərdə Nielsenin məqalələrini oxuduqdan sonra mikrobioloq Rainer Meckenstock-un rəhbərlik etdiyi qrup Almaniyanın Düsseldorf şəhərində yeraltı suların çirklənməsi ilə bağlı araşdırma zamanı qazılmış çöküntü nüvələrini yenidən tədqiq etdi. Duisburg-Essen Universitetində işləyən Mekenstock xatırlayır: "Biz [kabel bakteriyalarını] tam olaraq onları tapacağımızı düşündüyümüz yerdə tapdıq" dedi oksigenin tükəndiyi dərinliklərdə.

Nanotel bakteriyaları daha da geniş yayılmışdır. Tədqiqatçılar onları torpaqlarda, düyü tarlalarında, dərin bağırsaqlarda və hətta kanalizasiya təmizləyici qurğularda, həmçinin şirin su və dəniz çöküntülərində tapıblar. Onlar biofilmlərin əmələ gəldiyi hər yerdə mövcud ola bilərlər və biofilmlərin hər yerdə olması bu bakteriyaların təbiətdə oynaya biləcəyi böyük rolun daha bir sübutudur.

Elektrikli çamur bakteriyalarının geniş çeşidi də onların ekosistemlərdə mühüm rol oynadığını göstərir. Məsələn, hidrogen sulfidin yığılmasının qarşısını alaraq, kabel bakteriyaları çox güman ki, çirkləri digər həyat formaları üçün daha yaşayışlı edir. Meckenstock, Nielsen və başqaları onları dəniz otu və digər su bitkilərinin köklərində və ya yaxınlığında tapdılar, oksigen buraxan, ehtimal ki, bakteriyalar hidrogen sulfidini parçalamaq üçün istifadə edirlər. Bu da öz növbəsində bitkiləri zəhərli qazdan qoruyur. Tərəfdaşlıq "su bitkiləri üçün çox xarakterik görünür" dedi Meckenstock.

Stony Brook Universitetində dəniz biogeokimyaçısı Robert Aller hesab edir ki, bakteriyalar da bir çox sualtı onurğasızlara, o cümlədən oksigenli suyun palçığa daxil olmasına imkan verən yuva quran qurdlara kömək edə bilər. O, kabel bakteriyalarını qurd borularının kənarlarına yapışdırdığını, ehtimal ki, elektronları saxlamaq üçün bu oksigeni istifadə edə bildiklərini tapdı. Öz növbəsində, bu qurdlar zəhərli hidrogen sulfiddən qorunur. 2019-cu ilin iyul ayında Science Advances jurnalında dərc olunan məqaləsində əlaqələri təsvir edən Aller, "Bakteriyalar [yuxarı] daha yaşana bilən edir" deyir.

Merilend Universitetinin Ətraf Mühit Elmləri Mərkəzinin ekoloqu Saira Malkin deyir ki, mikroblar çirkin xüsusiyyətlərini də dəyişir. "Onlar xüsusilə təsirli … ekosistem mühəndisləridir." Kabel bakteriyaları "od kimi böyüyür" deyir; O, gelgit istiridyə qayalarında tapdı ki, bir kub santimetr palçıqda hissəcikləri yerində sementləyən 2859 metr kabel ola bilər və bu, çöküntüləri dəniz orqanizmlərinə daha davamlı edir.

Bakteriyalar həmçinin kirlərin kimyasını dəyişdirərək, səthə yaxınlaşan təbəqələri daha qələvi, daha dərin təbəqələri isə daha turşulu edir, Malkin tapdı. Belə pH gradientləri, arsen, manqan və dəmirlə əlaqəli olanlar da daxil olmaqla, "çoxsaylı geokimyəvi dövrlərə" təsir göstərə bilər və digər mikroblar üçün imkanlar yarada bilər.

Tədqiqatçıların fikrincə, planetin geniş əraziləri palçıqla örtülmüşdür, kabellər və nanotellərlə əlaqəli bakteriyaların qlobal iqlimə təsir göstərməsi ehtimalı var. Nanotel bakteriyaları, məsələn, ölü diatomlar kimi üzvi materiallardan elektron götürə və sonra onları güclü istixana qazı olan metan istehsal edən digər bakteriyalara ötürə bilər. Müxtəlif şəraitlərdə kabel bakteriyaları metan istehsalını azalda bilər.

Malkin deyir ki, yaxın illərdə “biz bu mikrobların biosfer üçün əhəmiyyətinin geniş şəkildə tanındığını görəcəyik”. Nielsen, Orhus palçığından hidrogen sulfidinin müəmmalı şəkildə yoxa çıxdığını gördükdən on ildən bir qədər çox keçəndən sonra deyir: "Burada nə ilə məşğul olduğumuzu düşünmək baş gicəlləndirir."

Növbəti: mikrob telləri ilə işləyən telefon?

Elektrik mikroblarının qabaqcılları bu bakteriyalardan necə istifadə etmək barədə tez fikirləşdilər. Orhus Universitetinin mikrobioloqu Lars Peter Nielsen deyir: “İndi biz təkamülün elektrik naqilləri yarada bildiyini bildik, onlardan istifadə etməsək, ayıb olardı”.

Mümkün tətbiqlərdən biri çirkləndiricilərin aşkarlanması və idarə olunmasıdır. Kabel mikrobları neft kimi üzvi birləşmələrin varlığında inkişaf edir və Nielsen və komandası kabel bakteriyalarının bolluğunun sulu təbəqələrdə aşkar edilməmiş çirklənmənin mövcudluğuna işarə etməsi ehtimalını sınaqdan keçirir. Bakteriyalar yağı birbaşa parçalamır, lakin digər yağlı bakteriyaların yaratdığı sulfidləri oksidləşdirə bilirlər. Onlar həmçinin təmizlənməyə kömək edə bilər; başqa bir araşdırma qrupu yanvar ayında Water Research jurnalında bildirmişdir ki, yağışlar kabel bakteriyaları tərəfindən kolonizasiya edildikdə xam neftlə çirklənmədən daha sürətli bərpa olunur. İspaniyada üçüncü bir qrup nanotel bakteriyalarının çirklənmiş bataqlıqların təmizlənməsini sürətləndirə biləcəyini araşdırır. Nanotel əsaslı bakteriyalar elektrik enerjisi olmadan da, onlar nüvə tullantılarının və benzol və ya naftalin kimi aromatik karbohidrogenlərlə çirklənmiş sulu təbəqələrin zərərsizləşdirilməsi vədlərini göstərdilər.

Elektrik bakteriyaları da yeni texnologiyaların yaranmasına səbəb ola bilər. Massaçusets Universitetinin (UMass), Amherst mikrobioloqu Derek Lovley-in dediyinə görə, onlar nanotellərini dəyişdirmək üçün genetik olaraq dəyişdirilə bilər, sonra həssas geyilə bilən sensorların əsasını yaratmaq üçün kəsilə bilər. "Biz nanotelləri dizayn edə və onları xüsusi olaraq maraq doğuran birləşmələri bağlamaq üçün uyğunlaşdıra bilərik." Məsələn, Nano Research-in 11 may tarixli sevimli sayında UMass mühəndisi Jun Yao və onların həmkarları kənd təsərrüfatı, sənaye, ətraf mühit və biotibbi tətbiqlər üçün lazım olan konsentrasiyalarda ammonyak təyin edən nanotel əsaslı sensor təsvir etdilər.

Film şəklində yaradılmış nanotellər havadakı rütubətdən elektrik enerjisi istehsal edə bilir. Tədqiqatçılar hesab edirlər ki, plyonkanın yuxarı və aşağı kənarları arasında nəmlik qradiyenti yarandıqda enerji yaranır. (Üst kənar rütubətə daha çox həssasdır.) Suyun hidrogen və oksigen atomları qradientə görə ayrıldıqca yük əmələ gəlir və elektronlar axır. Yao və komandası fevralın 17-də Nature jurnalında belə bir filmin işıq diodunu işıqlandırmaq üçün kifayət qədər enerji yarada biləcəyini və bir-birinə qoşulmuş 17 belə cihazın mobil telefonu enerji ilə təmin edə biləcəyini bildirib. Tsinghua Universitetinin material alimi Qu Lianti deyir ki, yanaşma “bərpa olunan, təmiz və ucuz enerji istehsalı üçün inqilabi texnologiyadır”. (Digərləri qrafen və ya polimerlərdən istifadə edərək enerjini nəmdən sıxmaq üçün keçmiş cəhdlərin uğursuz olduğunu qeyd edərək, daha ehtiyatlı olurlar.)

Nəhayət, tədqiqatçılar seçici mikroblarla qarşılaşmadan bakteriyaların elektrik qabiliyyətlərindən istifadə etməyə ümid edirlər. Məsələn, Catch ümumi laboratoriya və sənaye bakteriyası Escherichia coli-ni nanotellər hazırlamağa inandırdı. Bu, tədqiqatçılara strukturların kütləvi istehsalını və onların praktik tətbiqlərini öyrənməyi asanlaşdırmalıdır.