Бактерии строят линии электропередач для обмена электронами

Бактерии строят собственные ЛЭП

Недавно микробиологи из Японии выяснили, что бактерии тоже строят линии электропередач. Они нужны им для того, чтобы обмениваться электронами на дальних расстояниях. В качестве "проводов" микроорганизмы используют частички гематита и магнетита. Ученые полагают, что их исследования помогут повысить эффективность микробных топливных элементов.

Фото:

О том, что живые клетки могут обмениваться электронами, ученые знали достаточно давно. Так, еще в 1971 году отечественные ученые В. П. Скулачев, А. И. Арчаков и А. В. Карякин установили явление межмембранного переноса электронов в культуре клеток. Они выяснили, что когда мембраны клеток сближаются, то происходит прямая передача электронов с одной мембраны на другую. А осуществляют ее гемопротеины — белки, содержащие в своем активном центре железо или магний.

Для чего же клеткам чужие электроны? Дело в том, что данные частицы в свободном виде необходимы им для ускорения и поддержания различных химических процессов. Например, конечная стадия дыхания представляет собой цепь обмена электроном между белками наружной и внутренней мембраной митохондрий — органелл, являющихся "энергостанциями" клетки.

Ну, а если электрона не будет, то и переносить будет нечего, и никаких энергозапасающих веществ синтезировать не удастся. Да и такие обычные реакции, как разложение сахаров в отсутствии свободных электронов просто не пойдут. Словом, электроны клеткам необходимы. Однако часто бывает так, что внутри их взять неоткуда, вот и приходится "просить" у соседей. Те же всегда охотно делятся этими необходимыми частицами.

Читайте также: Бактерии "чатятся" друг с другом

Как видите, клеткам единого организма наладить обмен электронами друг с другом достаточно просто. А вот бактериям приходится куда сложнее. Для того, чтобы обменяться частицами, одной клетке нужно как-то "подозвать" другую. А, как показали исследования микробиологов, этот обмен им также необходим: в экспериментах, где обмен электронами между микроорганизмами был исключен, развитие бактериальной культуры в целом протекало бы много медленнее.

Долгое время микробиологи предполагали, что микробы, точно так же как и клетки высших организмов, обмениваются электронами при мембранном контакте с помощью специальных белков. Однако совершенно очевидно, что подобный способ возможен только тогда, когда бактериальная колония плотная. А как быть в том случае, если расстояния между клетками весьма значительны (по бактериальным меркам, конечно)?

Позже было установлено, что некоторые микроорганизмы могут выделять специальное вещество-посредник, к которому можно "прикрепить" лишние электроны и передать его соседу (надеясь на то, что когда будет нужно, он пришлет такую же "посылку" обратно). Это не требует постоянного присутствия соседа рядом, однако подобный способ передачи все равно работает на достаточно близких расстояниях (одна-две длины тела бактерии). Поэтому вряд ли он подошел бы микроорганизмам, обитающим, например, на морском дне — там расстояния между клетками могут превышать в сотню раз длину тела микроба.

И вот недавно исследователи из Токийского университета фармацевтики и биологических наук (Япония), похоже, обнаружили еще один способ обмена электронами между микроорганизмами. Микробиологи работали с двумя достаточно известными бактериями, Geobacter sulfurreducens и Thiobacillus denitrificans, обитающими в грунтовых водах. Эти микроорганизмы получают энергию, окисляя соединения железа и серы. При этом обе бактерии были уже давно известны ученым как неутомимые борцы с загрязнителямиподземных вод — они успешно разлагают нитраты для того, чтобы получать необходимые питательные вещества.

Четыре года назад американские ученые из Университета Миннесоты расшифровали геном Geobacter sulfurreducens. Выяснилось, что этот микроорганизм обладает более чем сотней генов, кодирующих цитохромы — белки, участвующие в переносе электронов. Эти цитохромы располагаются на мембране бактерии. Чуть позже такой же цитохромовый "ансамбль" был обнаружен и у Thiobacillus denitrificans. Стало ясно, что это им зачем-то нужно — ведь цитохромы синтезировать достаточно дорого, с энергетической точки зрения, и просто так бактерии не стали брать их "на вооружение".

Чуть позже эксперименты на графитовом электроде, куда была посажена колония, показали, что бактерии могут вызывать в нем течение тока. Микроорганизмы с помощью цитохромов отдают электроны проводнику и этим обеспечивают возникновение электрического тока. Тогда исследователей этот процесс навел на мысль о создании бактериальных батарей и аккумуляторов. Тем не менее, основную загадку им все-таки не удалось разгадать — для чего в природе бактериям нужно генерировать электрический ток.

И вот исследования японских микробиологов принесли ответ на этот непростой вопрос. Они, наблюдая за колониями данных бактерий, выяснили, что отдельные микробы используют минералы вроде магнетита и гематита (содержащие железо), возле которых обычно и обитают, в качестве проводников для обмена электронами на необычайно больших, по клеточным меркам, расстояниях. По мнению ученых, таким способом можно обмениваться ценными электронами на расстояния до нескольких сантиметров — что составляет длину тел нескольких сотен тысяч бактерий. Получается просто высоковольтная линия электропередач в бактериальном формате!

Механизм обмена, как считают ученые, примерно такой же, как и тот, что был открыт в американском эксперименте с электродом. С помощью цитохромов бактерии отдают электрон гематиту, там возникает электрический ток, а микроорганизм на другом конце этого своеобразного "электропровода" при содействии того же цитохрома получает "лишний" электрон из гематита. Интересно, что таким способом Geobacter sulfurreducens и Thiobacillus denitrificans могут обмениваться электронами не только с особями своего вида, но и чужого.

Изучив работу японских исследователей, микробиолог Ларс Петер Нильсен из Орхусского университета (Дания), предположил, что, возможно, микроорганизмы перед тем, как начать "сеанс" передачи электронов, как-то изменяют структуру проводников, то есть целенаправленно переделывают частицы в удобные "провода". Он считает, что с помощью определенных химических реакций бактерии могут воздействовать на частицы гематита и магнетита, упорядочивая расположение их крупиц, с тем чтобы те лучше проводили электрический ток. Однако эту гипотезу еще следует проверить.

Сами же авторы работы убеждены в том, что их исследования помогут повысить эффективность микробных топливных элементов, активно разрабатываемых в настоящее время. И если работа в этом направлении будет продолжена, то не исключено, что в ближайшее время "микробные" батарейки и аккумуляторы вытеснят обычные. Ведь время от времени подселять бактерий в топливные элементы куда проще, чем заменять электролит. Да и от сети этот аккумулятор подзаряжать будет не надо…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"