Geheimsinnige bakterieë wat elektriese drade maak

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Vir Lars Peter Nielsen het dit alles begin met die geheimsinnige verdwyning van waterstofsulfied. Die mikrobioloog het die swart, stinkende modder van die bodem van die Aarhus-hawe in Denemarke versamel, dit in groot glasbekers gegooi en spesiale mikrosensors ingesit wat veranderinge in die chemiese samestelling van die modder opgespoor het.

Aan die begin van die eksperiment was die samestelling versadig met waterstofsulfied - die bron van die reuk en kleur van die sediment. Maar 30 dae later het een strook vuil bleek geword, wat die verlies aan waterstofsulfied aandui. Uiteindelik het die mikrosensors gewys dat die hele verbinding weg is. Gegewe wat wetenskaplikes geweet het oor die biogeochemie van modder, onthou Nielsen van die Universiteit van Aarhus, "het dit glad nie sin gemaak nie."

Die eerste verduideliking, het hy gesê, was dat die sensors verkeerd was. Maar die rede blyk baie meer vreemd te wees: die bakterieë wat die selle verbind, skep elektriese kabels wat stroom tot 5 sentimeter deur die grond kan lei.

’n Aanpassing wat nog nooit vantevore by mikrobes gesien is nie, laat hierdie sogenaamde kabelbakterieë toe om’n groot probleem te oorkom waarmee baie organismes wat in modder leef, te kampe het:’n gebrek aan suurstof. Die afwesigheid daarvan weerhou bakterieë gewoonlik om verbindings soos waterstofsulfied vir voedsel te metaboliseer. Maar kabels, deur mikrobes aan suurstofryke neerslae te bind, laat hulle oor lang afstande reageer.

Toe Nielsen die ontdekking die eerste keer in 2009 beskryf het, was sy kollegas skepties. Philip Meisman, 'n chemiese ingenieur aan die Universiteit van Antwerpen, onthou dat hy gedink het: "Dit is totale nonsens." Ja, die navorsers het geweet dat bakterieë elektrisiteit kan gelei, maar nie op die afstande wat Nielsen voorgestel het nie. "Dit was asof ons eie metaboliese prosesse 'n afstand van 18 kilometer kon beïnvloed," sê mikrobioloog Andreas Teske van die Universiteit van Noord-Carolina by Chapel Hill.

Maar hoe meer navorsers na "geëlektrifiseerde" modder gesoek het, hoe meer het hulle dit in beide sout en vars water gevind. Hulle het ook 'n tweede soort vuil-liefdevolle elektriese mikrobe geïdentifiseer: nanodraadbakterieë, individuele selle wat proteïenstrukture kweek wat elektrone oor korter afstande kan beweeg.

Hierdie nanodraadmikrobes word oral gevind, ook in die menslike mond

Ontdekkings dwing navorsers om handboeke te herskryf; heroorweeg die rol van modderbakterieë in die verwerking van sleutelelemente soos koolstof, stikstof en fosfor; en hersien hoe hulle akwatiese ekosisteme en klimaatsverandering beïnvloed.

Wetenskaplikes soek ook praktiese toepassings en ondersoek die potensiaal van bakterieë wat kabels en nanodrade bevat om besoedeling te bekamp en elektroniese toestelle aan te dryf. "Ons sien baie meer interaksies binne mikrobes en tussen mikrobes wat elektrisiteit gebruik," sê Meisman. "Ek noem dit die elektriese biosfeer."

Die meeste selle floreer deur elektrone van een molekule te neem, 'n proses wat oksidasie genoem word, en dit na 'n ander molekule oor te dra, gewoonlik suurstof, genoem reduksie. Die energie wat uit hierdie reaksies verkry word, beheer ander lewensprosesse. In eukariotiese selle, insluitend ons eie, vind sulke "redoks"-reaksies op die binneste membraan van mitochondria plaas, en die afstande tussen hulle is klein - slegs mikrometers. Dit is hoekom so baie navorsers skepties was oor Nielsen se bewering dat kabelbakterieë elektrone deur 'n laag vuilheid so groot soos 'n gholfbal beweeg.

Die verdwyning van waterstofsulfied was die sleutel om dit te bewys. Die bakterieë maak 'n verbinding in die modder, breek plantafval en ander organiese materiale af; in dieper neerslae versamel waterstofsulfied weens 'n gebrek aan suurstof, wat ander bakterieë help om dit af te breek. Waterstofsulfied het egter steeds in Nielsen se bekers verdwyn. Boonop het 'n geroeste tint op die oppervlak van die vuil verskyn, wat die vorming van ysteroksied aangedui het.

Nielsen het een nag wakker geword en met 'n vreemde verduideliking vorendag gekom: wat as bakterieë wat in die modder begrawe is, die redoksreaksie voltooi het, en op een of ander manier die suurstofarm lae omseil? Wat as hulle eerder die oorvloedige voorraad waterstofsulfied as 'n elektronskenker gebruik en dan die elektrone na die suurstofryke oppervlak kantel? Daar, in die oksidasieproses, word roes gevorm as yster aanwesig is.

Dit was moeilik om te vind wat hierdie elektrone dra. Eerstens moes Niels Riesgaard-Petersen van Nielsen se span’n eenvoudiger moontlikheid uitsluit: metaaldeeltjies in die sediment dra elektrone na die oppervlak en veroorsaak oksidasie. Hy het dit bewerkstellig deur 'n laag glaskrale wat nie elektrisiteit gelei nie, in 'n vuilpilaar in te sit. Ten spyte van hierdie struikelblok het die navorsers steeds 'n elektriese stroom gevind wat deur die modder beweeg, wat daarop dui dat die metaaldeeltjies nie geleidend was nie.

Om te sien of 'n kabel of draad elektrone dra, het die navorsers toe wolframdraad gebruik om 'n horisontale snit deur die modderkolom te maak. Die stroom het afgegaan, asof 'n draad geknip is. Ander werk het die grootte van die geleier verklein, wat daarop dui dat dit minstens 1 mikrometer in deursnee moet wees. "Dit is die normale grootte van bakterieë," sê Nielsen.

Uiteindelik het elektronmikrofoto's 'n waarskynlike kandidaat aan die lig gebring: lang, dun bakteriese vesels wat verskyn het in 'n laag glaskrale wat in bekers gevul is met modder van die Aarhus-hawe. Elke filament het bestaan uit 'n stapel selle - tot 2 000 - wat in 'n geribbelde buitemembraan ingesluit is. In die spasie tussen hierdie membraan en die selle wat bo-op mekaar gestapel is, het 'n veelheid van parallelle "drade" die draad oor sy hele lengte gespan. Die kabelagtige voorkoms het die algemene naam van die mikrobe geïnspireer.

Meisman, 'n voormalige skeptikus, het vinnig tot bekering gekom. Kort nadat Nielsen sy ontdekking aangekondig het, het Meismann besluit om een van sy eie monsters van seemodder te ondersoek. "Ek het dieselfde kleurveranderinge in die sediment opgemerk as wat hy gesien het," onthou Meisman. "Dit was Moeder Natuur se rigting om dit meer ernstig op te neem."

Sy span het gereedskap en metodes vir mikrobiese navorsing begin ontwikkel, soms in samewerking met Nielsen se groep. Dit was moeilik om te gaan. Bakteriese filamente is geneig om vinnig na isolasie te versleg, en standaardelektrodes vir die meet van strome in klein geleiers werk nie. Maar sodra die navorsers geleer het om 'n enkele draad uit te kies en vinnig 'n individuele elektrode te heg, "het ons baie hoë geleidingsvermoë gesien," sê Meisman. Lewendige kabels kan nie met koperdrade meeding nie, het hy gesê, maar hulle pas by die geleiers wat in sonpanele en selfoonskerms gebruik word, sowel as die beste organiese halfgeleiers.

Die navorsers het ook die anatomie van die kabelbakterieë ontleed. Met behulp van chemiese baddens het hulle die silindriese dop geïsoleer en gevind dat dit 17 tot 60 parallelle vesels bevat wat aanmekaar vasgegom is. Die dop is die bron van geleiding, het Meisman en kollegas verlede jaar in Nature Communications berig. Die presiese samestelling daarvan is nog onbekend, maar dit kan proteïengebaseer wees.

"Dit is 'n komplekse organisme," sê Nielsen, wat nou aan die hoof staan van die Sentrum vir Elektro-Mikrobiologie, wat in 2017 deur die Deense regering geskep is. Van die probleme wat die sentrum oplos, is die massaproduksie van mikrobes in kultuur. "As ons 'n suiwer kultuur gehad het, sou dit baie makliker wees" om idees oor selmetabolisme en die effek van die omgewing op geleiding te toets, sê Andreas Schramm van die sentrum. Die gekweekte bakterieë sal dit ook makliker maak om kabeldrade te isoleer en potensiële bioremediëring en biotegnologie toepassings te toets.

Terwyl navorsers kopkrap oor die bakterieë in die kabel, kyk ander na nog 'n groot rolspeler in elektriese modder: nanodraadgebaseerde bakterieë wat, in plaas daarvan om selle in kabels te vou, proteïendrade van 20 tot 50 nm lank van elke sel af groei.

Soos met kabelbakterieë, het die geheimsinnige chemiese samestelling van die afsettings gelei tot die ontdekking van nanodraadmikrobes. In 1987 het mikrobioloog Derek Lovley, nou aan die Universiteit van Massachusetts Amherst, probeer verstaan hoe fosfaat uit kunsmisafvalwater –’n voedingstof wat algebloei bevorder – vrygestel word uit sediment onder die Potomac-rivier in Washington, DC. gewerk en begin om hulle uit die grond te wei. Nadat hy een gekweek het, wat nou Geobacter Metallireducens genoem word, het hy opgemerk (onder 'n elektronmikroskoop) dat die bakterieë bindings met nabygeleë ysterminerale gegroei het. Hy het vermoed dat elektrone langs hierdie drade gedra is, en het uiteindelik uitgevind dat Geobacter chemiese reaksies in die modder georkestreer het, organiese verbindings oksideer en elektrone na minerale oordra. Hierdie verminderde minerale stel dan fosfor en ander elemente vry.

Soos Nielsen, het Lovely skeptisisme in die gesig gestaar toe hy die eerste keer sy elektriese mikrobe beskryf het. Vandag het hy en ander egter byna 'n dosyn soorte nanodraadmikrobes geregistreer en hulle in ander omgewings as vuil gevind. Baie dra elektrone na en van deeltjies in die sediment. Maar sommige maak staat op ander mikrobes om elektrone te ontvang of te stoor. Hierdie biologiese vennootskap laat beide mikrobes toe om "by nuwe soorte chemie betrokke te raak wat geen organisme alleen kan doen nie," sê Victoria Orfan, 'n geobioloog by die California Institute of Technology. Terwyl kabelbakterieë hul redoksbehoeftes oplos deur lang afstande na suurstofryke modder vervoer te word, is hierdie mikrobes afhanklik van mekaar se metabolisme om in hul redoksbehoeftes te voorsien.

Sommige navorsers debatteer steeds hoe bakteriese nanodrade elektrone gelei. Lovley en sy kollegas is oortuig daarvan dat die sleutel kettings van proteïene is wat piliene genoem word, wat uit sirkelvormige aminosure bestaan. Toe hy en sy kollegas die hoeveelheid geringde aminosure in die pilien verminder het, het die nanodrade minder geleidend geword. “Dit was regtig ongelooflik,” sê Lovely, want daar word algemeen aanvaar dat proteïene isoleerders is. Maar ander dink dat hierdie vraag nog lank nie opgelos is nie. Orphan sê byvoorbeeld dat hoewel "daar oorweldigende bewyse is … ek steeds nie dink dat [die geleiding van die nanodraad] goed verstaan word nie."

Wat duidelik is, is dat elektriese bakterieë oral is. In 2014 het wetenskaplikes byvoorbeeld kabelbakterieë in drie baie verskillende habitats in die Noordsee ontdek: in 'n getysoutmoeras, in 'n seebodembekken waar suurstofvlakke in sommige seisoene tot byna nul daal, en in 'n oorstroomde moddervlakte naby die see …. strand. (Hulle het hulle nie gevind in 'n sanderige gebied wat deur wurms bewoon word wat sedimente opslurp en kabels ontwrig nie.) Elders het navorsers DNS-bewyse gevind van kabelbakterieë in diep, suurstofarm seebekkens, warmwaterbronne en koue toestande. stortings, en mangroves en getybanke in beide gematigde en subtropiese streke.

Kabelbakterieë word ook in varswateromgewings aangetref. Nadat hy Nielsen se artikels in 2010 en 2012 gelees het, het 'n span onder leiding van mikrobioloog Rainer Meckenstock sedimentkerne wat tydens 'n grondwaterbesoedelingsopname in Düsseldorf, Duitsland geboor is, weer ondersoek. "Ons het [die kabelbakterieë] presies gevind waar ons gedink het ons hulle sou vind," op dieptes waar suurstof uitgeput is, onthou Mekenstock, wat by die Universiteit van Duisburg-Essen werk.

Nanodraad-bakterieë is selfs meer wydverspreid. Navorsers het hulle gevind in gronde, ryslande, diep ingewande en selfs rioolsuiweringsaanlegte, sowel as in varswater en mariene sedimente. Hulle kan bestaan waar biofilms ook al gevorm word, en die alomteenwoordigheid van biofilms is 'n verdere bewys van die groot rol wat hierdie bakterieë in die natuur kan speel.

Die wye verskeidenheid elektriese slykbakterieë dui ook daarop dat hulle 'n belangrike rol in ekosisteme speel. Byvoorbeeld, deur die opbou van waterstofsulfied te voorkom, maak kabelbakterieë waarskynlik vuil meer bewoonbaar vir ander lewensvorme. Meckenstock, Nielsen en ander het hulle op of naby die wortels van seegras en ander waterplante gevind wat suurstof vrystel, wat bakterieë waarskynlik gebruik om waterstofsulfied af te breek. Dit beskerm op sy beurt die plante teen die giftige gas. Die vennootskap "lyk baie kenmerkend van waterplante," het Meckenstock gesê.

Robert Aller, 'n mariene biogeochemikus by Stony Brook Universiteit, glo bakterieë kan ook baie onderwater ongewerwelde diere help, insluitend wurms wat gate bou wat suurstofryke water in die modder laat binnedring. Hy het gevind dat kabelbakterieë aan die kante van die wurmbuise vassteek, vermoedelik sodat hulle hierdie suurstof kon gebruik om elektrone te stoor. Op hul beurt word hierdie wurms beskerm teen giftige waterstofsulfied. "Bakterieë maak [die hol] meer leefbaar," sê Aller, wat die skakels in 'n Julie 2019-artikel in Science Advances beskryf het.

Mikrobes verander ook die eienskappe van vuilheid, sê Saira Malkin, 'n ekoloog by die Universiteit van Maryland se Sentrum vir Omgewingswetenskappe. "Hulle is veral effektief … ekosisteem-ingenieurs." Kabelbakterieë "groei soos 'n veldbrand," sê sy; Op gety-oesterriwwe, het sy gevind, Een kubieke sentimeter modder kan 2 859 meter kabels bevat wat die deeltjies in plek sement, wat die sediment moontlik meer weerstand bied teen mariene organismes.

Die bakterieë verander ook die chemie van die vuilheid, wat lae nader aan die oppervlak meer alkalies maak en dieper lae suurder, het Malkin bevind. Sulke pH-gradiënte kan "talle geochemiese siklusse" beïnvloed, insluitend dié wat met arseen, mangaan en yster geassosieer word, het sy gesê, wat geleenthede vir ander mikrobes skep.

Omdat groot dele van die planeet met modder bedek is, sê die navorsers, sal bakterieë wat met kabels en nanodrade geassosieer word, waarskynlik 'n impak op die globale klimaat hê. Nanodraadbakterieë kan byvoorbeeld elektrone van organiese materiale soos dooie diatome neem en dit dan aan ander bakterieë oordra wat metaan, 'n kragtige kweekhuisgas, produseer. Onder verskeie omstandighede kan kabelbakterieë metaanproduksie verminder.

In die komende jare, "sal ons wydverspreide erkenning sien van die belangrikheid van hierdie mikrobes vir die biosfeer," sê Malkin. 'n Bietjie meer as tien jaar nadat Nielsen die geheimsinnige verdwyning van waterstofsulfied uit die Aarhus-modder opgemerk het, sê hy: "Dit is duiselingwekkend om te dink oor waarmee ons hier te doen het."

Volgende: 'n foon wat deur mikrobiese drade aangedryf word?

Die pioniers van elektriese mikrobes het vinnig gedink oor hoe om hierdie bakterieë te gebruik."Noudat ons weet dat evolusie in staat was om elektriese drade te skep, sal dit jammer wees as ons dit nie gebruik nie," sê Lars Peter Nielsen, 'n mikrobioloog aan die Universiteit van Aarhus.

Een moontlike toepassing is die opsporing en beheer van besoedelingstowwe. Kabelmikrobes blyk te floreer in die teenwoordigheid van organiese verbindings soos olie, en Nielsen en sy span toets die moontlikheid dat die oorvloed van kabelbakterieë die teenwoordigheid van onontdekte besoedeling in akwifere aandui. Die bakterieë breek nie die olie direk af nie, maar hulle kan die sulfied wat deur ander olierige bakterieë geproduseer word, oksideer. Hulle kan ook help om skoon te maak; reënval herstel vinniger van besoedeling met ru-olie wanneer dit deur kabelbakterieë gekoloniseer word, het 'n ander navorsingsgroep in Januarie in die joernaal Water Research berig. In Spanje ondersoek’n derde span of nanodraadbakterieë die skoonmaak van besoedelde vleilande kan bespoedig. En selfs voordat bakterieë op nanodraad elektries was, het hulle die belofte getoon om kernafval en akwifere wat met aromatiese koolwaterstowwe soos benseen of naftaleen besmet is, te dekontamineer.

Elektriese bakterieë kan ook aanleiding gee tot nuwe tegnologie. Hulle kan geneties gemodifiseer word om hul nanodrade te verander, wat dan afgesny kan word om die ruggraat van sensitiewe draagbare sensors te vorm, volgens Derek Lovley, 'n mikrobioloog aan die Universiteit van Massachusetts (UMass), Amherst. "Ons kan nanodrade ontwerp en dit aanpas om spesifiek verbindings van belang te bind." Byvoorbeeld, in die 11 Mei Lovely-uitgawe van Nano Research, het UMass-ingenieur Jun Yao en hul kollegas 'n nanodraad-gebaseerde sensor beskryf wat ammoniak opspoor in konsentrasies wat nodig is vir landbou-, nywerheids-, omgewings- en biomediese toepassings.

Geskep as 'n film, kan nanodrade elektrisiteit opwek uit vog in die lug Navorsers glo dat die film energie opwek wanneer 'n voggradiënt tussen die boonste en onderste rande van die film voorkom. (Die boonste rand is meer vatbaar vir vog.) Soos die waterstof- en suurstofatome van die water skei as gevolg van die gradiënt, word lading gegenereer en elektrone vloei. Yao en sy span het op 17 Februarie in Nature berig dat so 'n film genoeg energie kan skep om 'n ligdiode aan te steek, en 17 sulke toestelle wat aan mekaar gekoppel is, kan 'n selfoon van krag kan gee. Die benadering is "'n revolusionêre tegnologie vir die opwekking van hernubare, skoon en goedkoop energie," sê Qu Lianti, 'n materiaalwetenskaplike by Tsinghua Universiteit. (Ander is versigtiger en let daarop dat vorige pogings om energie uit vog te druk met grafeen of polimere onsuksesvol was.)

Uiteindelik hoop die navorsers om die elektriese vermoëns van bakterieë te benut sonder om kieskeurige mikrobes te hanteer. Catch het byvoorbeeld die algemene laboratorium- en nywerheidsbakterie Escherichia coli oorreed om nanodrade te maak. Dit behoort dit vir navorsers makliker te maak om die strukture in massa te vervaardig en hul praktiese toepassings te bestudeer.