Mystiske bakterier som lager elektriske ledninger

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

For Lars Peter Nielsen startet det hele med den mystiske forsvinningen av hydrogensulfid. Mikrobiologen samlet den svarte, stinkende gjørmen fra bunnen av Aarhus havn i Danmark, kastet den i store glassbeger og satte inn spesielle mikrosensorer som oppdaget endringer i den kjemiske sammensetningen av gjørmen.

I begynnelsen av eksperimentet ble sammensetningen mettet med hydrogensulfid - kilden til lukten og fargen til sedimentet. Men 30 dager senere ble en stripe med skitt blek, noe som indikerer tap av hydrogensulfid. Etter hvert viste mikrosensorene at hele forbindelsen var borte. Gitt hva forskerne visste om biogeokjemien til gjørme, husker Nielsen fra Aarhus Universitet, "ga det ikke mening i det hele tatt."

Den første forklaringen, sa han, var at sensorene var feil. Men årsaken viste seg å være mye mer merkelig: bakteriene som forbinder cellene lager elektriske kabler som kan lede strøm opptil 5 centimeter gjennom skitten.

En tilpasning som aldri er sett før i mikrober gjør at disse såkalte kabelbakteriene kan overvinne et stort problem mange organismer som lever i gjørme står overfor: mangel på oksygen. Dets fravær hindrer vanligvis bakterier i å metabolisere forbindelser som hydrogensulfid til mat. Men kabler, ved å binde mikrober til oksygenrike forekomster, lar dem reagere over lange avstander.

Da Nielsen først beskrev funnet i 2009, var kollegene skeptiske. Philip Meisman, en kjemiingeniør ved Universitetet i Antwerpen, husker at han tenkte: "Dette er fullstendig tull." Ja, forskerne visste at bakterier kunne lede strøm, men ikke på de avstandene Nielsen foreslo. "Det var som om våre egne metabolske prosesser kunne påvirke en avstand på 18 kilometer," sier mikrobiolog Andreas Teske ved University of North Carolina i Chapel Hill.

Men jo mer forskerne så etter «elektrifisert» gjørme, jo mer fant de det i både salt- og ferskvann. De identifiserte også en annen type skittelskende elektrisk mikrobe: nanotrådbakterier, individuelle celler som dyrker proteinstrukturer som kan flytte elektroner over kortere avstander.

Disse nanotrådmikrobene finnes overalt, inkludert i menneskets munn

Oppdagelser tvinger forskere til å omskrive lærebøker; revurdere rollen til gjørmebakterier i behandlingen av nøkkelelementer som karbon, nitrogen og fosfor; og gjennomgå hvordan de påvirker akvatiske økosystemer og klimaendringer.

Forskere leter også etter praktiske anvendelser, og utforsker potensialet til bakterier som inneholder kabler og nanotråder for å bekjempe forurensning og drive elektroniske enheter. "Vi ser mye mer interaksjoner innen mikrober og mellom mikrober som bruker elektrisitet," sier Meisman. "Jeg kaller det den elektriske biosfæren."

De fleste celler trives ved å ta elektroner fra ett molekyl, en prosess som kalles oksidasjon, og overføre dem til et annet molekyl, vanligvis oksygen, kalt reduksjon. Energien som oppnås fra disse reaksjonene styrer andre livsprosesser. I eukaryote celler, inkludert våre egne, forekommer slike "redoksreaksjoner" på den indre membranen av mitokondrier, og avstandene mellom dem er små - bare mikrometer. Dette er grunnen til at så mange forskere var skeptiske til Nielsens påstand om at kabelbakterier flytter elektroner gjennom et lag med skitt på størrelse med en golfball.

Å forsvinne hydrogensulfid var nøkkelen til å bevise dette. Bakteriene lager en forbindelse i gjørmen, og bryter ned planteavfall og andre organiske materialer; i dypere avleiringer akkumuleres hydrogensulfid på grunn av mangel på oksygen, noe som hjelper andre bakterier å bryte det ned. Imidlertid forsvant hydrogensulfid fortsatt i Nielsens begre. Dessuten dukket det opp en rusten fargetone på overflaten av skitten, noe som indikerte dannelsen av jernoksid.

Da han våknet en natt, kom Nielsen med en merkelig forklaring: hva om bakterier begravd i gjørmen fullførte redoksreaksjonen, på en eller annen måte omgå de oksygenfattige lagene? Hva om de i stedet brukte den rikelige tilførselen av hydrogensulfid som en elektrondonor og deretter traktet elektronene opp mot den oksygenrike overflaten? Der, i oksidasjonsprosessen, dannes det rust hvis jern er tilstede.

Å finne hva som bærer disse elektronene har vist seg vanskelig. Først måtte Niels Riesgaard-Petersen fra Nielsens team utelukke en enklere mulighet: metallpartikler i sedimentet frakter elektroner til overflaten og forårsaker oksidasjon. Han oppnådde dette ved å sette inn et lag med glassperler som ikke leder strøm inn i en søyle av skitt. Til tross for denne hindringen fant forskerne fortsatt en elektrisk strøm som beveget seg gjennom gjørmen, noe som tyder på at metallpartiklene ikke var ledende.

For å se om en kabel eller ledning bar elektroner, brukte forskerne deretter wolframtråd for å lage et horisontalt snitt gjennom gjørmesøylen. Strømmen gikk ut, som om en ledning var kuttet. Annet arbeid snevret inn størrelsen på lederen, og antydet at den burde være minst 1 mikrometer i diameter. "Dette er den normale størrelsen på bakterier," sier Nielsen.

Til syvende og sist avslørte elektronmikrografer en sannsynlig kandidat: lange, tynne bakteriefibre som dukket opp i et lag med glassperler satt inn i begre fylt med gjørme fra Aarhus havn. Hvert filament besto av en stabel med celler - opptil 2000 - innelukket i en ribbet ytre membran. I rommet mellom denne membranen og cellene stablet oppå hverandre, strakte en rekke parallelle "tråder" tråden over hele lengden. Det kabellignende utseendet inspirerte det vanlige navnet på mikroben.

Meisman, en tidligere skeptiker, ble raskt omvendt. Kort tid etter at Nielsen kunngjorde oppdagelsen, bestemte Meismann seg for å undersøke en av sine egne prøver av sjøslam. "Jeg la merke til de samme fargeendringene i sedimentet som han så," husker Meisman. "Det var Moder Naturs retning å ta det mer seriøst."

Teamet hans begynte å utvikle verktøy og metoder for mikrobiell forskning, noen ganger i samarbeid med Nielsens gruppe. Det var tungt å gå. Bakterielle filamenter har en tendens til å forringes raskt etter isolering, og standardelektroder for måling av strøm i små ledere fungerer ikke. Men når forskerne lærte å plukke ut en enkelt tråd og raskt feste en individuell elektrode, "så vi veldig høy ledningsevne," sier Meisman. Strømførende kabler kan ikke konkurrere med kobberledninger, sa han, men de samsvarer med lederne som brukes i solcellepaneler og mobiltelefonskjermer, så vel som de beste organiske halvlederne.

Forskerne analyserte også anatomien til kabelbakteriene. Ved hjelp av kjemiske bad isolerte de det sylindriske skallet, og fant ut at det inneholdt 17 til 60 parallelle fibre limt sammen på innsiden. Skallet er kilden til ledning, rapporterte Meisman og kolleger i fjor i Nature Communications. Den nøyaktige sammensetningen er fortsatt ukjent, men den kan være proteinbasert.

"Det er en kompleks organisme," sier Nielsen, som nå leder Center for Electro-Microbiology, opprettet i 2017 av den danske regjeringen. Blant problemene som senteret løser er masseproduksjon av mikrober i kultur. "Hvis vi hadde en ren kultur, ville det vært mye lettere" å teste ideer om cellemetabolisme og miljøets effekt på ledning, sier Andreas Schramm fra senteret. De dyrkede bakteriene vil også gjøre det lettere å isolere kabelledninger og teste potensielle bioremediering og bioteknologiske anvendelser.

Mens forskere lurer på bakteriene i kabelen, ser andre på en annen stor aktør innen elektrisk gjørme: nanotrådbaserte bakterier som, i stedet for å brette celler til kabler, vokser proteintråder med en lengde på 20 til 50 nm fra hver celle.

Som med kabelbakterier førte den mystiske kjemiske sammensetningen til forekomstene til oppdagelsen av nanotrådmikrober. I 1987 forsøkte mikrobiolog Derek Lovley, nå ved University of Massachusetts Amherst, å forstå hvordan fosfat fra gjødselavløpsvann – et næringsstoff som fremmer algeoppblomstring – frigjøres fra sediment under Potomac-elven i Washington, DC. arbeidet og begynte å luke dem ut av skitten. Etter å ha dyrket en, nå kalt Geobacter Metallireducens, la han merke til (under et elektronmikroskop) at bakteriene hadde fått bindinger til nærliggende jernmineraler. Han mistenkte at elektroner ble båret langs disse ledningene, og fant til slutt ut at Geobacter orkestrerte kjemiske reaksjoner i gjørmen, oksiderte organiske forbindelser og overførte elektroner til mineraler. Disse reduserte mineralene frigjør deretter fosfor og andre elementer.

I likhet med Nielsen, møtte Lovely skepsis da han første gang beskrev sin elektriske mikrobe. I dag har han og andre imidlertid registrert nesten et dusin typer nanotrådmikrober, og funnet dem i andre miljøer enn skitt. Mange frakter elektroner til og fra partikler i sedimentet. Men noen er avhengige av andre mikrober for å motta eller lagre elektroner. Dette biologiske partnerskapet lar begge mikrober "engasjere seg i nye typer kjemi som ingen organisme kan gjøre alene," sier Victoria Orfan, en geobiolog ved California Institute of Technology. Mens kabelbakterier løser redoksbehovene deres ved å bli transportert lange avstander inn i oksygenert gjørme, er disse mikrobene avhengige av hverandres metabolisme for å dekke redoksbehovet.

Noen forskere diskuterer fortsatt hvordan bakterielle nanotråder leder elektroner. Lovley og hans kolleger er overbevist om at nøkkelen er kjeder av proteiner kalt piliner, som består av sirkulære aminosyrer. Da han og kollegene reduserte mengden ringede aminosyrer i pilinen, ble nanotrådene mindre ledende. "Det var virkelig fantastisk," sier Lovely, fordi det er generelt akseptert at proteiner er isolatorer. Men andre mener at dette spørsmålet langt fra er løst. Orphan sier for eksempel at selv om "det er overveldende bevis … tror jeg fortsatt ikke at [ledningen av nanotråden] er godt forstått."

Det som er klart er at elektriske bakterier er overalt. I 2014, for eksempel, oppdaget forskere kabelbakterier i tre vidt forskjellige habitater i Nordsjøen: i en tidevannssaltsump, i et havbunnsbasseng der oksygennivået faller til nesten null noen årstider, og i en oversvømt gjørmete slette nær havet …. kysten. (De fant dem ikke i et sandområde som er bebodd av ormer som samler sedimenter og forstyrrer kabler.) Andre steder har forskere funnet DNA-bevis på kabelbakterier i dype, oksygenfattige havbassenger, varme kilder og kalde forhold. utslipp, og mangrover og tidevannsbanker i både tempererte og subtropiske områder.

Kabelbakterier finnes også i ferskvannsmiljøer. Etter å ha lest Nielsens artikler i 2010 og 2012, undersøkte et team ledet av mikrobiolog Rainer Meckenstock sedimentkjerner boret under en forurensningsundersøkelse av grunnvann i Düsseldorf, Tyskland. "Vi fant [kabelbakteriene] akkurat der vi trodde vi ville finne dem," på dyp der oksygen var oppbrukt, husker Mekenstock, som jobber ved universitetet i Duisburg-Essen.

Nanotrådbakterier er enda mer utbredt. Forskere har funnet dem i jordsmonn, rismarker, dype tarmer og til og med kloakkrenseanlegg, så vel som i ferskvann og marine sedimenter. De kan eksistere overalt hvor biofilmer dannes, og allestedsnærværende biofilmer er ytterligere bevis på den store rollen disse bakteriene kan spille i naturen.

Det store utvalget av elektriske slambakterier tyder også på at de spiller en viktig rolle i økosystemene. For eksempel, ved å forhindre oppbygging av hydrogensulfid, gjør kabelbakterier sannsynligvis skitt mer beboelig for andre livsformer. Meckenstock, Nielsen og andre har funnet dem på eller nær røttene til sjøgress og andre vannplanter som frigjør oksygen, som bakterier sannsynligvis bruker til å bryte ned hydrogensulfid. Dette beskytter igjen plantene mot den giftige gassen. Partnerskapet "virker veldig karakteristisk for vannplanter," sa Meckenstock.

Robert Aller, en marin biogeokjemiker ved Stony Brook University, mener bakterier også kan hjelpe mange undervannsvirvelløse dyr, inkludert ormer som bygger huler som lar oksygenrikt vann komme inn i gjørmen. Han fant kabelbakterier som stakk opp på sidene av ormrørene, antagelig slik at de kunne bruke dette oksygenet til å lagre elektroner. I sin tur er disse ormene beskyttet mot giftig hydrogensulfid. "Bakterier gjør [hulen] mer levelig," sier Aller, som beskrev koblingene i en artikkel fra juli 2019 i Science Advances.

Mikrober endrer også egenskapene til skitt, sier Saira Malkin, en økolog ved University of Marylands Center for Environmental Sciences. "De er spesielt effektive … økosystemingeniører." Kabelbakterier «vokser som ild i tørt gress», sier hun; På tidevanns østersrev fant hun, En kubikkcentimeter av gjørme kan inneholde 2859 meter kabler som sementerer partiklene på plass, noe som muligens gjør sedimentet mer motstandsdyktig mot marine organismer.

Bakteriene endrer også kjemien til skitten, og gjør lag nærmere overflaten mer alkaliske og dypere lag surere, fant Malkin. Slike pH-gradienter kan påvirke «mange geokjemiske sykluser», inkludert de assosiert med arsen, mangan og jern, sa hun, og skaper muligheter for andre mikrober.

Fordi store deler av planeten er dekket av gjørme, sier forskerne, vil bakterier assosiert med kabler og nanotråder sannsynligvis ha en innvirkning på det globale klimaet. Nanotrådbakterier, for eksempel, kan ta elektroner fra organiske materialer som døde kiselalger og deretter sende dem videre til andre bakterier som produserer metan, en kraftig drivhusgass. Under ulike omstendigheter kan kabelbakterier redusere metanproduksjonen.

I de kommende årene "vil vi se en utbredt anerkjennelse av betydningen av disse mikrobene for biosfæren," sier Malkin. Litt over ti år etter at Nielsen la merke til den mystiske forsvinningen av hydrogensulfid fra Aarhus-slammet, sier han: «Det er svimlende å tenke på hva vi har med å gjøre her».

Neste opp: en telefon drevet av mikrobielle ledninger?

Pionerene innen elektriske mikrober tenkte raskt på hvordan de skulle bruke disse bakteriene."Nå som vi vet at evolusjonen har vært i stand til å lage elektriske ledninger, ville det være synd om vi ikke brukte dem," sier Lars Peter Nielsen, mikrobiolog ved Universitetet i Aarhus.

En mulig anvendelse er påvisning og kontroll av forurensninger. Kabelmikrober ser ut til å trives i nærvær av organiske forbindelser som olje, og Nielsen og teamet hans tester muligheten for at overfloden av kabelbakterier signaliserer tilstedeværelsen av uoppdaget forurensning i akviferer. Bakteriene bryter ikke ned oljen direkte, men de kan oksidere sulfidet som produseres av andre oljeaktige bakterier. De kan også hjelpe til med å rydde opp; nedbør kommer seg raskere fra råoljeforurensning når det koloniseres av kabelbakterier, rapporterte en annen forskergruppe i januar i tidsskriftet Water Research. I Spania undersøker et tredje team om nanotrådbakterier kan fremskynde oppryddingen av forurensede våtmarker. Og selv før nanotrådbaserte bakterier var elektriske, viste de løftet om å dekontaminere kjernefysisk avfall og akviferer forurenset med aromatiske hydrokarboner som benzen eller naftalen.

Elektriske bakterier kan også gi opphav til ny teknologi. De kan bli genmodifisert for å endre nanotrådene deres, som deretter kan kuttes av for å danne ryggraden til sensitive bærbare sensorer, ifølge Derek Lovley, en mikrobiolog ved University of Massachusetts (UMass), Amherst. "Vi kan designe nanotråder og tilpasse dem for å spesifikt binde forbindelser av interesse." For eksempel, i Lovely-utgaven 11. mai av Nano Research, beskrev UMass-ingeniør Jun Yao og deres kolleger en nanotrådbasert sensor som oppdager ammoniakk i konsentrasjoner som trengs for landbruks-, industri-, miljø- og biomedisinske applikasjoner.

Laget som en film, kan nanotråder generere elektrisitet fra fuktighet i luften. Forskere mener at filmen genererer energi når det oppstår en fuktighetsgradient mellom toppen og bunnkanten av filmen. (Overkanten er mer mottakelig for fuktighet.) Når hydrogen- og oksygenatomene i vannet skiller seg på grunn av gradienten, genereres ladning og elektroner strømmer. Yao og teamet hans rapporterte i Nature den 17. februar at en slik film kan skape nok energi til å tenne en lysdiode, og 17 slike enheter koblet sammen kan drive en mobiltelefon. Tilnærmingen er "en revolusjonerende teknologi for å generere fornybar, ren og billig energi," sier Qu Lianti, en materialforsker ved Tsinghua University. (Andre er mer forsiktige og bemerker at tidligere forsøk på å presse energi ut av fuktighet ved å bruke grafen eller polymerer har vært mislykket.)

Til syvende og sist håper forskerne å utnytte de elektriske egenskapene til bakterier uten å måtte forholde seg til kresne mikrober. Catch overtalte for eksempel den vanlige laboratorie- og industribakterien Escherichia coli til å lage nanotråder. Dette skal gjøre det lettere for forskere å masseprodusere strukturene og studere deres praktiske anvendelser.