Mahiwagang bacteria na gumagawa ng mga electrical wire

2024 May -akda: Seth Attwood | [email protected]. Huling binago: 2023-12-16 16:18

Para kay Lars Peter Nielsen, nagsimula ang lahat sa misteryosong pagkawala ng hydrogen sulfide. Kinokolekta ng microbiologist ang itim at mabahong putik mula sa ilalim ng daungan ng Aarhus sa Denmark, itinapon ito sa malalaking glass beakers at nagpasok ng mga espesyal na microsensor na nakakita ng mga pagbabago sa kemikal na komposisyon ng putik.

Sa simula ng eksperimento, ang komposisyon ay puspos ng hydrogen sulfide - ang pinagmulan ng amoy at kulay ng sediment. Ngunit makalipas ang 30 araw, ang isang piraso ng dumi ay namutla, na nagpapahiwatig ng pagkawala ng hydrogen sulfide. Sa kalaunan, ipinakita ng mga microsensor na nawala ang buong koneksyon. Dahil sa alam ng mga siyentipiko tungkol sa biogeochemistry ng putik, ang paggunita ni Nielsen ng Aarhus University, "hindi ito makatuwiran."

Ang unang paliwanag, aniya, ay mali ang mga sensor. Ngunit ang dahilan ay naging mas kakaiba: ang bakterya na kumokonekta sa mga cell ay lumikha ng mga de-koryenteng cable na maaaring magsagawa ng kasalukuyang hanggang sa 5 sentimetro sa pamamagitan ng dumi.

Ang isang adaptasyon na hindi pa nakikita noon sa mga mikrobyo ay nagpapahintulot sa mga tinatawag na cable bacteria na ito na mapagtagumpayan ang isang malaking problemang kinakaharap ng maraming organismo na naninirahan sa putik: kakulangan ng oxygen. Ang kawalan nito ay kadalasang pinipigilan ang bakterya mula sa pag-metabolize ng mga compound tulad ng hydrogen sulfide para sa pagkain. Ngunit ang mga kable, sa pamamagitan ng pagbubuklod ng mga mikrobyo sa mga depositong mayaman sa oxygen, ay nagpapahintulot sa kanila na tumugon sa malalayong distansya.

Noong unang inilarawan ni Nielsen ang pagtuklas noong 2009, nag-aalinlangan ang kanyang mga kasamahan. Naalala ni Philip Meisman, isang inhinyero ng kemikal sa Unibersidad ng Antwerp, ang pag-iisip, "Ito ay ganap na walang kapararakan." Oo, alam ng mga mananaliksik na ang bakterya ay maaaring magsagawa ng kuryente, ngunit hindi sa mga distansya na iminungkahi ni Nielsen. "Para bang ang ating sariling metabolic process ay maaaring makaapekto sa layo na 18 kilometro," sabi ng microbiologist na si Andreas Teske ng University of North Carolina sa Chapel Hill.

Ngunit ang mas maraming mga mananaliksik ay naghahanap para sa "nakuryente" na putik, mas natagpuan nila ito sa parehong asin at sariwang tubig. Natukoy din nila ang pangalawang uri ng de-koryenteng microbe na mapagmahal sa dumi: nanowire bacteria, mga indibidwal na selula na nagpapalaki ng mga istruktura ng protina na maaaring maglipat ng mga electron sa mas maikling distansya.

Ang mga nanowire microbes na ito ay matatagpuan sa lahat ng dako, kabilang ang sa bibig ng tao

Pinipilit ng mga pagtuklas ang mga mananaliksik na muling isulat ang mga aklat-aralin; pag-isipang muli ang papel ng mud bacteria sa pagproseso ng mga pangunahing elemento tulad ng carbon, nitrogen at phosphorus; at suriin kung paano nakakaapekto ang mga ito sa aquatic ecosystem at pagbabago ng klima.

Naghahanap din ang mga siyentipiko ng mga praktikal na aplikasyon, na ginagalugad ang potensyal ng bakterya na naglalaman ng mga cable at nanowires upang labanan ang polusyon at kapangyarihan ng mga elektronikong aparato. "Nakikita namin ang mas maraming pakikipag-ugnayan sa loob ng mga mikrobyo at sa pagitan ng mga mikrobyo gamit ang kuryente," sabi ni Meisman. "Tinatawag ko itong electrical biosphere."

Karamihan sa mga cell ay umunlad sa pamamagitan ng pagkuha ng mga electron mula sa isang molekula, isang proseso na tinatawag na oksihenasyon, at paglilipat ng mga ito sa isa pang molekula, kadalasang oxygen, na tinatawag na reduction. Ang enerhiya na nakuha mula sa mga reaksyong ito ay namamahala sa iba pang mga proseso ng buhay. Sa mga eukaryotic na selula, kabilang ang ating sarili, ang gayong "redox" na mga reaksyon ay nangyayari sa panloob na lamad ng mitochondria, at ang mga distansya sa pagitan ng mga ito ay maliliit - mga micrometer lamang. Ito ang dahilan kung bakit napakaraming mananaliksik ang nag-aalinlangan tungkol sa pag-aangkin ni Nielsen na ang cable bacteria ay naglilipat ng mga electron sa pamamagitan ng isang layer ng dumi na kasinglaki ng bola ng golf.

Ang pagkawala ng hydrogen sulfide ay ang susi sa pagpapatunay nito. Ang bakterya ay gumagawa ng isang tambalan sa putik, na sinisira ang mga labi ng halaman at iba pang mga organikong materyales; sa mas malalalim na deposito, naiipon ang hydrogen sulfide dahil sa kakulangan ng oxygen, na tumutulong sa ibang bacteria na masira ito. Gayunpaman, nawala pa rin ang hydrogen sulfide sa mga beakers ni Nielsen. Bukod dito, lumitaw ang isang kalawang na tint sa ibabaw ng dumi, na nagpapahiwatig ng pagbuo ng iron oxide.

Pagkagising isang gabi, nakaisip si Nielsen ng kakaibang paliwanag: paano kung nakumpleto ng bacteria na nakabaon sa putik ang redox reaction, kahit papaano ay lumalampas sa oxygen-poor layers? Paano kung, sa halip, ginamit nila ang masaganang supply ng hydrogen sulfide bilang isang electron donor at pagkatapos ay i-funnel ang mga electron patungo sa ibabaw na mayaman sa oxygen? Doon, sa proseso ng oksihenasyon, ang kalawang ay nabuo kung ang bakal ay naroroon.

Ang paghahanap kung ano ang nagdadala ng mga electron na ito ay napatunayang mahirap. Una, kinailangan ni Niels Riesgaard-Petersen ng pangkat ni Nielsen na alisin ang isang mas simpleng posibilidad: ang mga particle ng metal sa sediment ay nagdadala ng mga electron sa ibabaw at nagiging sanhi ng oksihenasyon. Nagawa niya ito sa pamamagitan ng pagpasok ng isang layer ng glass beads na hindi nagdadala ng kuryente sa isang haligi ng dumi. Sa kabila ng balakid na ito, natagpuan pa rin ng mga mananaliksik ang isang electric current na gumagalaw sa putik, na nagmumungkahi na ang mga particle ng metal ay hindi conductive.

Upang makita kung ang isang cable o wire ay nagdadala ng mga electron, ginamit ng mga mananaliksik ang tungsten wire upang gumawa ng pahalang na hiwa sa haligi ng putik. Nawala ang agos, parang naputol ang wire. Ang iba pang gawain ay nagpapaliit sa laki ng konduktor, na nagmumungkahi na dapat itong hindi bababa sa 1 micrometer ang lapad. "Ito ang normal na laki ng bakterya," sabi ni Nielsen.

Sa huli, ang mga electron micrograph ay nagsiwalat ng isang malamang na kandidato: mahaba, manipis na bacterial fibers na lumitaw sa isang layer ng glass beads na ipinasok sa mga beakers na puno ng putik mula sa Aarhus Harbour. Ang bawat filament ay binubuo ng isang stack ng mga cell - hanggang 2,000 - na nakapaloob sa isang ribed panlabas na lamad. Sa puwang sa pagitan ng lamad na ito at ng mga selulang nakasalansan sa ibabaw ng isa't isa, maraming magkakatulad na "mga wire" ang nakaunat sa sinulid sa buong haba nito. Ang parang cable na hitsura ay nagbigay inspirasyon sa karaniwang pangalan ng microbe.

Si Meisman, isang dating nag-aalinlangan, ay mabilis na napagbagong loob. Di-nagtagal pagkatapos ipahayag ni Nielsen ang kanyang pagtuklas, nagpasya si Meismann na siyasatin ang isa sa kanyang sariling mga sample ng sea mud. "Napansin ko ang parehong mga pagbabago sa kulay sa sediment na nakita niya," paggunita ni Meisman. "Ito ang direksyon ni Inang Kalikasan upang mas seryosohin ito."

Ang kanyang koponan ay nagsimulang bumuo ng mga tool at pamamaraan para sa microbial research, kung minsan ay nagtatrabaho kasabay ng grupo ni Nielsen. Ito ay mahirap pumunta. Ang mga bacterial filament ay may posibilidad na mabilis na lumala pagkatapos ng paghihiwalay, at ang mga karaniwang electrodes para sa pagsukat ng mga alon sa maliliit na konduktor ay hindi gumagana. Ngunit sa sandaling natutunan ng mga mananaliksik na pumili ng isang solong strand at mabilis na ilakip ang isang indibidwal na elektrod, "nakita namin ang talagang mataas na kondaktibiti," sabi ni Meisman. Ang mga live na cable ay hindi maaaring makipagkumpitensya sa mga wire na tanso, sinabi niya, ngunit tumutugma ang mga ito sa mga konduktor na ginagamit sa mga solar panel at mga screen ng mobile phone, pati na rin ang pinakamahusay na mga organic semiconductors.

Sinuri din ng mga mananaliksik ang anatomy ng cable bacteria. Gamit ang mga kemikal na paliguan, ibinukod nila ang cylindrical shell, na natagpuan na naglalaman ito ng 17 hanggang 60 parallel fibers na pinagsama-sama sa loob. Ang shell ay ang pinagmulan ng pagpapadaloy, iniulat ni Meisman at mga kasamahan noong nakaraang taon sa Nature Communications. Ang eksaktong komposisyon nito ay hindi pa alam, ngunit maaaring ito ay batay sa protina.

"Ito ay isang kumplikadong organismo," sabi ni Nielsen, na ngayon ay namumuno sa Center for Electro-Microbiology, na nilikha noong 2017 ng gobyerno ng Denmark. Kabilang sa mga problemang nilulutas ng sentro ay ang malawakang paggawa ng mga mikrobyo sa kultura. "Kung mayroon tayong isang purong kultura, magiging mas madali" na subukan ang mga ideya tungkol sa metabolismo ng cell at ang epekto ng kapaligiran sa pagpapadaloy, sabi ni Andreas Schramm mula sa sentro. Ang kulturang bakterya ay magpapadali din sa pag-insulate ng mga cable wire at pagsubok ng mga potensyal na bioremediation at biotechnology application.

Habang ang mga mananaliksik ay nalilito sa bakterya sa cable, ang iba ay tumitingin sa isa pang pangunahing manlalaro sa elektrikal na putik: nanowire-based na bakterya na, sa halip na tiklop ang mga cell sa mga cable, lumalaki ang mga wire ng protina na 20 hanggang 50 nm ang haba mula sa bawat cell.

Tulad ng cable bacteria, ang mahiwagang kemikal na komposisyon ng mga deposito ay humantong sa pagtuklas ng mga nanowire microbes. Noong 1987, sinubukan ng microbiologist na si Derek Lovley, na ngayon ay nasa University of Massachusetts Amherst, na maunawaan kung paano ang pospeyt mula sa wastewater ng pataba - isang nutrient na nagtataguyod ng mga pamumulaklak ng algal - ay inilabas mula sa sediment sa ilalim ng Potomac River sa Washington, DC. nagtrabaho at nagsimulang alisin ang mga ito mula sa dumi. Pagkatapos lumaki ang isa, na tinatawag na Geobacter Metallireducens, napansin niya (sa ilalim ng electron microscope) na ang bakterya ay lumaki ang mga bono sa mga kalapit na mineral na bakal. Naghinala siya na ang mga electron ay dinadala kasama ng mga wire na ito, at kalaunan ay nalaman na ang Geobacter ay nag-orkestra ng mga kemikal na reaksyon sa putik, nag-o-oxidize ng mga organikong compound at naglilipat ng mga electron sa mga mineral. Ang mga pinababang mineral na ito ay naglalabas ng posporus at iba pang mga elemento.

Tulad ni Nielsen, naharap si Lovely sa pag-aalinlangan noong una niyang inilarawan ang kanyang electrical microbe. Ngayon, gayunpaman, siya at ang iba ay nakarehistro ng halos isang dosenang uri ng nanowire microbes, na hinahanap ang mga ito sa mga kapaligiran maliban sa dumi. Marami ang nagdadala ng mga electron papunta at mula sa mga particle sa sediment. Ngunit ang ilan ay umaasa sa ibang mga mikrobyo upang tumanggap o mag-imbak ng mga electron. Ang biological partnership na ito ay nagbibigay-daan sa parehong microbes na "makasali sa mga bagong uri ng chemistry na walang organismo ang kayang mag-isa," sabi ni Victoria Orfan, isang geobiologist sa California Institute of Technology. Habang nilulutas ng mga cable bacteria ang kanilang mga pangangailangan sa redox sa pamamagitan ng pagdadala ng malalayong distansya sa oxygenated na putik, ang mga mikrobyo na ito ay umaasa sa metabolismo ng bawat isa upang matugunan ang kanilang mga pangangailangan sa redox.

Ang ilang mga mananaliksik ay nagtatalo pa rin kung paano nagsasagawa ng mga electron ang bacterial nanowires. Si Lovley at ang kanyang mga kasamahan ay kumbinsido na ang susi ay mga chain ng mga protina na tinatawag na pilins, na binubuo ng mga pabilog na amino acid. Nang bawasan niya at ng kanyang mga kasamahan ang dami ng ringed amino acid sa pilin, ang mga nanowires ay naging hindi gaanong conductive. "Ito ay talagang kamangha-manghang," sabi ni Lovely, dahil karaniwang tinatanggap na ang mga protina ay mga insulator. Ngunit iniisip ng iba na ang tanong na ito ay malayong malutas. Ang ulila, halimbawa, ay nagsasabi na bagaman "may napakaraming ebidensya … sa palagay ko ay hindi pa rin nauunawaan ng mabuti [ang pagpapadaloy ng nanowire]."

Ang malinaw ay ang mga electrical bacteria ay nasa lahat ng dako. Noong 2014, halimbawa, natuklasan ng mga siyentipiko ang cable bacteria sa tatlong magkakaibang tirahan sa North Sea: sa isang tidal salt swamp, sa isang seabed basin kung saan ang mga antas ng oxygen ay bumaba sa halos zero sa ilang mga panahon, at sa isang baha na maputik na kapatagan malapit sa dagat. …. baybayin. (Hindi nila natagpuan ang mga ito sa isang mabuhangin na lugar na tinitirhan ng mga uod na nagbubuga ng mga sediment at nakakagambala sa mga kable.) Sa ibang lugar, natagpuan ng mga mananaliksik ang DNA na ebidensya ng cable bacteria sa malalim, mahinang oxygen na mga basin ng karagatan, mga lugar ng mainit na bukal, at malamig na mga kondisyon. spills, at bakawan at tidal bank sa parehong mapagtimpi at subtropikal na mga rehiyon.

Ang cable bacteria ay matatagpuan din sa freshwater environment. Pagkatapos basahin ang mga artikulo ni Nielsen noong 2010 at 2012, muling sinuri ng isang team na pinamumunuan ng microbiologist na si Rainer Meckenstock ang mga sediment core na na-drill sa panahon ng isang survey sa kontaminasyon ng tubig sa lupa sa Düsseldorf, Germany. "Nakita namin [ang cable bacteria] kung saan eksakto kung saan namin naisip na mahahanap namin sila," sa kalaliman kung saan naubos ang oxygen, ang paggunita ni Mekenstock, na nagtatrabaho sa University of Duisburg-Essen.

Ang nanowire bacteria ay mas laganap pa. Natagpuan ng mga mananaliksik ang mga ito sa mga lupa, palayan, malalim na bituka at kahit na mga halaman sa paggamot ng dumi sa alkantarilya, gayundin sa mga sediment ng tubig-tabang at dagat. Maaari silang umiral saanman nabuo ang mga biofilm, at ang ubiquity ng mga biofilm ay karagdagang katibayan ng malaking papel na maaaring gampanan ng mga bakterya sa kalikasan.

Ang malawak na pagkakaiba-iba ng mga electrical sludge bacteria ay nagmumungkahi din na sila ay may mahalagang papel sa mga ecosystem. Halimbawa, sa pamamagitan ng pagpigil sa build-up ng hydrogen sulfide, malamang na ginagawang mas matitirahan ng cable bacteria ang dumi para sa iba pang mga anyo ng buhay. Natagpuan sila ni Meckenstock, Nielsen, at iba pa sa o malapit sa mga ugat ng seagrass at iba pang aquatic na halaman na naglalabas ng oxygen, na malamang na ginagamit ng bakterya upang masira ang hydrogen sulfide. Ito naman, pinoprotektahan ang mga halaman mula sa nakakalason na gas. Ang pakikipagsosyo ay "tila napaka katangian ng mga halamang nabubuhay sa tubig," sabi ni Meckenstock.

Si Robert Aller, isang marine biogeochemist sa Stony Brook University, ay naniniwala na ang bacteria ay makakatulong din sa maraming underwater invertebrates, kabilang ang mga worm na gumagawa ng mga burrow na nagpapahintulot sa oxygenated na tubig na makapasok sa putik. Natagpuan niya ang cable bacteria na dumidikit sa mga gilid ng worm tubes, siguro para magamit nila ang oxygen na ito para mag-imbak ng mga electron. Sa turn, ang mga worm na ito ay protektado mula sa nakakalason na hydrogen sulfide. "Ginagawa ng bakterya [ang burrow] na mas madaling tumira," sabi ni Aller, na inilarawan ang mga link sa isang artikulo noong Hulyo 2019 sa Science Advances.

Binabago din ng mga mikrobyo ang mga katangian ng dumi, sabi ni Saira Malkin, isang ecologist sa University of Maryland's Center for Environmental Sciences. "Lalo silang epektibo … mga inhinyero ng ecosystem." Cable bacteria "lumago tulad ng napakalaking apoy," sabi niya; Sa tidal oyster reef, natagpuan niya, Isang kubiko sentimetro ng putik ay maaaring naglalaman ng 2,859 metro ng mga kable na nagsemento sa mga particle sa lugar, na posibleng ginagawang mas lumalaban ang sediment sa mga organismo ng dagat.

Binabago din ng bakterya ang kimika ng dumi, na ginagawang mas alkaline ang mga layer sa ibabaw at mas acidic ang mas malalim na mga layer, natagpuan ni Malkin. Ang ganitong mga pH gradient ay maaaring makaapekto sa "maraming geochemical cycle," kabilang ang mga nauugnay sa arsenic, manganese at iron, aniya, na lumilikha ng mga pagkakataon para sa iba pang mga microbes.

Dahil ang malawak na bahagi ng planeta ay natatakpan ng putik, sabi ng mga mananaliksik, ang bakterya na nauugnay sa mga cable at nanowires ay malamang na magkaroon ng epekto sa pandaigdigang klima. Ang nanowire bacteria, halimbawa, ay maaaring kumuha ng mga electron mula sa mga organic na materyales tulad ng mga patay na diatom at pagkatapos ay ipasa ang mga ito sa iba pang bacteria na gumagawa ng methane, isang malakas na greenhouse gas. Sa ilalim ng iba't ibang pagkakataon, maaaring bawasan ng cable bacteria ang produksyon ng methane.

Sa mga darating na taon, "makikita natin ang malawakang pagkilala sa kahalagahan ng mga mikrobyo na ito sa biosphere," sabi ni Malkin. Mahigit kaunti sa sampung taon matapos mapansin ni Nielsen ang mahiwagang paglaho ng hydrogen sulfide mula sa putik ng Aarhus, sinabi niya: "Nakakahihilo isipin kung ano ang ating pinag-uusapan dito."

Susunod: isang teleponong pinapagana ng mga microbial wire?

Mabilis na naisip ng mga pioneer ng mga electrical microbes kung paano gamitin ang mga bacteria na ito."Ngayong alam na natin na ang ebolusyon ay nakagawa ng mga de-koryenteng wire, ito ay isang kahihiyan kung hindi natin gagamitin ang mga ito," sabi ni Lars Peter Nielsen, isang microbiologist sa Unibersidad ng Aarhus.

Ang isang posibleng aplikasyon ay ang pagtuklas at pagkontrol ng mga pollutant. Ang mga cable microbes ay tila umuunlad sa pagkakaroon ng mga organikong compound tulad ng langis, at sinusuri ni Nielsen at ng kanyang koponan ang posibilidad na ang kasaganaan ng cable bacteria ay nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng hindi natuklasang polusyon sa mga aquifer. Ang bakterya ay hindi direktang nagpapasama sa langis, ngunit maaari nilang i-oxidize ang sulfide na ginawa ng iba pang mamantika na bakterya. Maaari din silang tumulong sa paglilinis; ang pag-ulan ay bumabawi nang mas mabilis mula sa kontaminasyon ng krudo kapag ito ay kolonisado ng cable bacteria, isa pang pangkat ng pananaliksik na iniulat noong Enero sa journal na Water Research. Sa Spain, ang ikatlong pangkat ay nag-iimbestiga kung ang nanowire bacteria ay maaaring mapabilis ang paglilinis ng mga polluted wetlands. At bago pa man maging electrical ang nanowire-based bacteria, ipinakita nila ang pangako ng pag-decontaminate ng nuclear waste at aquifers na kontaminado ng aromatic hydrocarbons tulad ng benzene o naphthalene.

Ang mga de-koryenteng bakterya ay maaari ding magbunga ng mga bagong teknolohiya. Maaari silang mabago ng genetically upang baguhin ang kanilang mga nanowires, na maaaring putulin upang mabuo ang gulugod ng mga sensitibong naisusuot na sensor, ayon kay Derek Lovley, isang microbiologist sa University of Massachusetts (UMass), Amherst. "Maaari kaming magdisenyo ng mga nanowires at iakma ang mga ito upang partikular na magbigkis ng mga compound ng interes." Halimbawa, sa May 11 Lovely na isyu ng Nano Research, inilarawan ng UMass engineer na si Jun Yao at ng kanilang mga kasamahan ang isang nanowire-based na sensor na nakakakita ng ammonia sa mga konsentrasyon na kailangan para sa agrikultura, pang-industriya, kapaligiran, at biomedical na mga aplikasyon.

Ginawa bilang isang pelikula, ang mga nanowire ay maaaring makabuo ng kuryente mula sa moisture sa hangin. Naniniwala ang mga mananaliksik na ang pelikula ay bumubuo ng enerhiya kapag may moisture gradient na naganap sa pagitan ng itaas at ibabang gilid ng pelikula. (Ang tuktok na gilid ay mas madaling kapitan ng kahalumigmigan.) Habang naghihiwalay ang mga atomo ng hydrogen at oxygen ng tubig dahil sa gradient, nabubuo ang singil at dumadaloy ang mga electron. Iniulat ni Yao at ng kanyang team sa Nature noong Peb.17 na ang naturang pelikula ay maaaring lumikha ng sapat na enerhiya upang sindihan ang isang light-emitting diode, at 17 ganoong mga device na magkakaugnay ang maaaring magpagana ng isang mobile phone. Ang diskarte ay "isang rebolusyonaryong teknolohiya para sa pagbuo ng nababagong, malinis at murang enerhiya," sabi ni Qu Lianti, isang siyentipikong materyales sa Tsinghua University. (Ang iba ay mas maingat, na binabanggit na ang mga nakaraang pagtatangka na pigain ang enerhiya mula sa kahalumigmigan gamit ang graphene o polymer ay hindi matagumpay.)

Sa huli, ang mga mananaliksik ay umaasa na gamitin ang mga de-koryenteng kakayahan ng bakterya nang hindi kailangang harapin ang mga mapiling mikrobyo. Ang Catch, halimbawa, ay hinikayat ang karaniwang laboratoryo at pang-industriyang bacterium na Escherichia coli na gumawa ng mga nanowire. Ito ay dapat na gawing mas madali para sa mga mananaliksik na mass-produce ang mga istruktura at pag-aralan ang kanilang mga praktikal na aplikasyon.