Исследован механизм «питания» бактерий электронами

Ученый М. Эль-Наггар (Университет Южной Калифорнии, США) и его группа, исследуя метаболизм бактерий вида Shewanella oneidensis, обнаружили механизм, благодаря которому они могут «питаться» электричеством.

Большинство живых организмов можно отнести к двум классам. Хемотрофы получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций (очень редко иных) с органическими или неорганическими веществами, а фототрофы для этого используют свет. Однако существуют микроорганизмы, которые способны поглощать электроны напрямую, — электролитоавтотрофы. Так, их обнаружили в жерлах глубоководных гидротермальных источников — «черных курильщиков». 

Эль-Наггар и его коллеги работали с бактерией Shewanella oneidensis, открытой около 30 лет назад Кеннетом Нилсоном. Лишь спустя столько времени стал понятен механизм получения электроэнергии.

«Микробы — это высокоразвитые машины, — образно выразился Эль-Наггар. —  <…> Это класс [существ], который действительно хорош в преобразовании энергии и взаимодействии с абиотическим миром».

Исследуемая бактерия, как и многие другие, имеет ворсинки, также называемые фимбриями или пилусом. Эти поверхностные структуры есть у многих бактерий — белковые цилиндры длиной до 1,5 микрометра и диаметром семь-десять нанометров. Они различаются по строению и предназначению, у одной бактерии может быть сразу несколько типов ворсинок, а у некоторых бактерий их значение не выявлено. Однако все они так или иначе связаны с прикреплением бактерии к внешним объектам.

Исследователи применили метод электронной криотомографии: бактерии мгновенно замораживали, что позволяло сохранять их естественное состояние, а затем проводили трехмерную томографию. Фимбрии Shewanella oneidensis оказались не простыми трубками для крепления — они включали цепочку мембранных шариков, нанизанных друг на друга. Ворсинки являлись продолжением клеточной мембраны в такой специфической форме. Ученые назвали их «нанопроволоками»: наличие цитохромов, железосодержащих белков, позволяет переносить электроны между бактерией и внешней поверхностью. На рисунке изображен такой «нанопровод», а транспортирующие электроны белки обозначены красным и зеленым цветами.

Транспортные белки в мембране расположены на расстоянии до 30 нанометров друг от друга — это много для переноса электрона. Таким образом, только близкорасположенные белки могут передавать электрон друг другу. Исследователи предположили, что внутри мембранных пузырьков находятся протеины, столкновения с которыми помогают носителям заряда приближаться на нужное расстояние. Проверка этой гипотезы заявлена как следующий шаг исследования.

Эль-Наггар буквально в восторге от перспектив: «…Мы могли бы разработать новые машины, где живые клетки функционируют как часть гибридной биотически-абиотической системы».

Открытие полезно и для разработки микробиологических топливных элементов, которые генерируют электричество, и для очистки сточных вод. Сейчас широко изучается тема использования бактерий для различных ранее исключительно технологических процессов. Например, некоторые бактерии могут вырабатывать водород, а другое — добывать золото из руды.

С научной же точки зрения важна сама возможность жизни, основанной на таком нестандартном для Земли принципе.