«Электрическая грязь» кишит новыми загадочными бактериями, которые могут переписать учебники

Для Ларса Петера Нильсена все началось с загадочного исчезновения сероводорода. Микробиолог собрал черную вонючую грязь со дна Орхусской гавани в Дании, бросил ее в большие стеклянные стаканы и вставил специальные микродатчики, которые обнаруживали изменения в химическом составе грязи. 

В начале эксперимента состав был насыщен сероводородом - источником запаха и цвета осадка. Но 30 дней спустя одна полоса грязи побледнела, что говорит о пропаже сероводорода. В конце концов, микросенсоры показали, что все соединение исчезло. Учитывая то, что ученые знали о биогеохимии грязи, вспоминает Нильсен, работающий в Орхусском университете, «это вообще не имело смысла».

По его словам, первое объяснение заключалось в том, что датчики были неправильными. Но причина оказалась гораздо более странной: бактерии, соединяющие клетки создают электрические кабели, способные проводить ток до 5 сантиметров через грязь. 

Адаптация, никогда ранее не наблюдавшаяся у микробов, позволяет этим так называемым кабельным бактериям преодолеть главную проблему, с которой сталкиваются многие организмы, живущие в грязи: недостаток кислорода . Его отсутствие обычно удерживает бактерии от метаболизма соединений, таких как сероводород, в качестве пищи. Но кабели, связывая микробы с отложениями, более богатыми кислородом, позволяют им осуществлять реакцию на большие расстояния.

Когда Нильсен впервые описал открытие в 2009 году, его коллеги были настроены скептически. Филип Мейсман, инженер-химик из Университета Антверпена, вспоминает, как подумал: «Это полная чепуха». Да, исследователи знали, что бактерии могут проводить электричество, но не на тех расстояниях, которые предполагал Нильсен. «Это было так, как если бы наши собственные метаболические процессы могли сказаться на расстоянии 18 километров», - говорит микробиолог Андреас Теске из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл.

Но чем больше исследователи искали «наэлектризованную» грязь, тем больше они находили ее как в соленой, так и в пресной воде. Они также определили второй вид электрических микробов, любящих грязь: бактерии с нанопроволокой, отдельные клетки, которые выращивают белковые структуры, способные перемещать электроны на более короткие расстояния. 

Эти микробы с нанопроволокой обитают повсюду, в том числе во рту человека.

Открытия вынуждают исследователей переписывать учебники; переосмыслить роль грязевых бактерий в переработке таких ключевых элементов , как углерод, азот и фосфор; и пересмотреть, как они влияют на водные экосистемы и изменение климата. 

Ученые также ищут практические применения, исследуя потенциал бактерий, содержащих кабели и нанопровода, для борьбы с загрязнением и питания электронных устройств. «Мы наблюдаем гораздо больше взаимодействий внутри микробов и между микробами с помощью электричества», - говорит Мейсман. «Я называю это электрической биосферой».

Большинство клеток процветают, отбирая электроны у одной молекулы, этот процесс называется окислением, и передавая их другой молекуле, обычно кислороду, - так называемое восстановление. Энергия, полученная в результате этих реакций, управляет другими жизненными процессами. В эукариотических клетках, в том числе и в нашей собственной, такие «окислительно-восстановительные» реакции происходят на внутренней мембране митохондрий, и расстояния между ними крошечные - всего микрометры. Вот почему так много исследователей скептически отнеслись к утверждению Нильсена о том, что кабельные бактерии перемещают электроны через слой грязи, равный ширине мяча для гольфа.

Исчезающий сероводород был ключом к доказательству этого. Бактерии производят соединение в грязи, расщепляя растительные остатки и другие органические материалы; в более глубоких отложениях сероводород накапливается из-за недостатка кислорода, который помогает другим бактериям расщеплять его. Однако в лабораторных стаканах Нильсена сероводород все равно исчезал. Более того, на поверхности грязи появился ржавый оттенок, что свидетельствовало об образовании оксида железа.

Однажды ночью, проснувшись, Нильсен придумал странное объяснение: что, если бы бактерии, похороненные в грязи, завершали окислительно-восстановительную реакцию, каким-то образом обходя бедные кислородом слои? Что, если бы вместо этого они использовали обильные запасы сероводорода в качестве донора электронов, а затем направили электроны вверх к богатой кислородом поверхности? Там в процессе окисления образуется ржавчина, если присутствует железо.

Найти то, что несет эти электроны, оказалось сложным. Во-первых, Нильс Ризгаард-Петерсен из команды Нильсена должен был исключить более простую возможность: металлические частицы в отложениях переносят электроны на поверхность и вызывают окисление. Он добился этого, вставив слой стеклянных шариков, которые не проводят электричество, в столб грязи. Несмотря на это препятствие, исследователи все же обнаружили электрический ток, движущийся через грязь, предполагая, что металлические частицы не были проводником.

Чтобы увидеть, переносит ли электроны какой-то кабель или провод, исследователи затем использовали вольфрамовую проволоку, чтобы сделать горизонтальный разрез через столб грязи. Ток погас, как будто перерезали провод. Другая работа сузила размер проводника, предполагая, что он должен быть не менее 1 микрометра в диаметре. «Это обычный размер бактерий», - говорит Нильсен.

В конечном итоге электронные микрофотографии выявили вероятного кандидата: длинные тонкие бактериальные волокна, которые появились в слое стеклянных шариков, вставленных в мензурки, заполненные грязью Орхусской гавани. Каждая нить состояла из стопки клеток - до 2000 - заключенных в ребристую внешнюю мембрану. В пространстве между этой мембраной и сложенными друг на друга ячейками множество параллельных «проволок» растягивали нить на всю длину. Внешний вид, похожий на кабель, вдохновил на общее название микроба.

Мейсман, бывший скептик, быстро обратился в веру. Вскоре после того, как Нильсен объявил о своем открытии, Мейсман решил исследовать один из собственных образцов морской грязи. «Я заметил такие же изменения цвета осадка, которые он видел», - вспоминает Мейсман. «Это было указанием матери-природы отнестись к этому более серьезно».

Его команда начала разрабатывать инструменты и методы для исследования микробов, иногда работая совместно с группой Нильсена. Идти было тяжело. Бактериальные нити имеют тенденцию быстро разрушаться после изоляции, и стандартные электроды для измерения токов в небольших проводниках не работают. Но как только исследователи научились выделять одну нить и быстро прикреплять индивидуальный электрод, «мы увидели действительно высокую проводимость», - говорит Мейсман. По его словам, живые кабели не могут конкурировать с медными проводами, но они соответствуют проводникам, используемым в солнечных панелях и экранах мобильных телефонов, а также лучшим органическим полупроводникам.

Исследователи также проанализировали анатомию кабельных бактерий. Используя химические ванны, они изолировали цилиндрическую оболочку, обнаружив, что она содержит от 17 до 60 параллельных волокон, склеенных внутри. Оболочка является источником проводимости , сообщили Мейсман и его коллеги в прошлом году в Nature Communications . Его точный состав до сих пор неизвестен, но может быть на белковой основе.

«Это сложный организм», - говорит Нильсен, который сейчас возглавляет Центр электромикробиологии, созданный в 2017 году правительством Дании. Среди проблем, которые решает центр, - массовое производство микробов в культуре. «Если бы у нас была чистая культура, было бы намного легче» проверить идеи о клеточном метаболизме и влиянии окружающей среды на проводимость, - говорит Андреас Шрамм из центра. Культивированные бактерии также упростят изоляцию проводов кабеля и тестирование потенциальных применений для биоремедиации и биотехнологий.

Пока исследователи ломают голову над бактериями в кабеле, другие изучают еще одного крупного игрока в электрической грязи: бактерии на основе нанопроволоки, которые вместо того, чтобы складывать клетки в кабели, вырастают белковые провода протяженностью от 20 до 50 нм от каждой клетки .

Как и в случае с бактериями кабеля, загадочный химический состав отложений привел к открытию микробов с нанопроволокой. В 1987 году микробиолог Дерек Ловли, ныне работающий в Массачусетском университете в Амхерсте, пытался понять, как фосфат из сточных вод удобрений - питательное вещество, способствующее цветению водорослей - высвобождается из отложений под рекой Потомак в Вашингтоне, округ Колумбия. поработали и начали их отсеивать от грязи. После выращивания одной, теперь называемой Geobacter Metallireducens , он заметил (под электронным микроскопом), что бактерии вырастили связи с близлежащими минералами железа. Он подозревал, что по этим проводам переносятся электроны, и в конце концов выяснил, что Geobacterуправляет химическими реакциями в грязи, окисляя органические соединения и передавая электроны минералам. Затем эти восстановленные минералы освобождают фосфор и другие элементы.

Подобно Нильсену, Ловли столкнулся со скептицизмом, когда впервые описал свой электрический микроб. Сегодня, однако, он и другие зарегистрировали почти дюжину видов микробов с нанопроволокой, обнаружив их в различных средах, помимо грязи. Многие переносят электроны к частицам в осадке и от них. Но некоторые полагаются на другие микробы для получения или хранения электронов. Такое биологическое партнерство позволяет обоим микробам «заниматься новыми видами химии, которые ни один организм не может делать в одиночку»,говорит Виктория Орфан, геобиолог из Калифорнийского технологического института. В то время как кабельные бактерии решают свои окислительно-восстановительные потребности путем транспортировки на большие расстояния в насыщенную кислородом грязь, эти микробы зависят от метаболизма друг друга, чтобы удовлетворить свои окислительно-восстановительные потребности.

Некоторые исследователи до сих пор спорят о том, как бактериальные нанопроволоки проводят электроны.. Ловли и его коллеги убеждены, что ключевыми являются цепочки белков, называемых пилинами, которые состоят из кольцевых аминокислот. Когда он и его коллеги уменьшили количество окольцованных аминокислот в пилине, нанопроволоки стали хуже проводить. «Это было действительно удивительно», - говорит Ловли, потому что обычно принято считать, что белки являются изоляторами. Но другие думают, что этот вопрос далек от решения. Сирота, например, говорит, что, хотя «есть неопровержимые доказательства ... я все еще не думаю, что [проводимость нанопроволоки] хорошо изучена».

Ясно то, чтоэлектрические бактерии повсюду. В 2014 году, например, ученые обнаружили кабельные бактерии в трех очень разных средах обитания в Северном море: на приливном соляном болоте, в бассейне морского дна, где уровень кислорода падает почти до нуля в некоторые времена года, и на затопленной илистой равнине недалеко от моря. берег. (Они не нашли их в песчаном районе, населенном червями, которые взбалтывают отложения и нарушают работу кабелей.) В другом месте исследователи обнаружили ДНК-доказательства кабельных бактерий в глубоких, бедных кислородом океанских бассейнах, областях гидротермальных источников и в холодных условиях. утечки, а также мангровые заросли и приливные отмели как в умеренных, так и в субтропических регионах.

Кабельные бактерии также обнаружены в пресноводной среде. После прочтения статей Нильсена в 2010 и 2012 годах группа под руководством микробиолога Райнера Меккенштока повторно изучила керны отложений, пробуренные во время исследования загрязнения подземных вод в Дюссельдорфе, Германия. «Мы нашли [кабельные бактерии] именно там, где, как мы думали, мы их найдем», на глубинах, где кислород был истощен, - вспоминает Мекеншток, который работает в Университете Дуйсбург-Эссен.

Еще более широко распространены нанопроволочные бактерии. Исследователи обнаружили их в почвах, рисовых полях, глубоких недрах и даже на очистных сооружениях, а также в пресноводных и морских отложениях. Они могут существовать везде, где образуются биопленки, и повсеместное распространение биопленок является дополнительным доказательством той большой роли, которую эти бактерии могут играть в природе.

Широкий спектр бактерий электрических грязей также предполагает, что они играют важную роль в экосистемах. Например, предотвращая накопление сероводорода, кабельные бактерии, вероятно, делают грязь более пригодной для жизни других форм жизни . Меккеншток, Нильсен и другие обнаружили их на корнях морских трав и других водных растений или рядом с ними, которые выделяют кислород, который бактерии, вероятно, используют для расщепления сероводорода. Это, в свою очередь, защищает растения от токсичного газа. По словам Меккенштока, партнерство «кажется очень характерным для водных растений» .

Роберт Аллер, морской биогеохимик из Университета Стоуни-Брук, считает, что бактерии также могут помочь многим подводным беспозвоночным., включая червей, которые строят норы, позволяющие насыщенной кислородом воде проникать в грязь. Он обнаружил кабельные бактерии, торчащие по бокам червячных трубок, вероятно, чтобы они могли использовать этот кислород для хранения электронов. В свою очередь, эти черви защищены от токсичного сероводорода. «Бактерии делают [нору] более пригодной для жизни», - говорит Аллер, описавший эти связи в июльской статье 2019 года в Science Advances .

Микробы также изменяют свойства грязи, говорит Сайра Малкин, эколог из Центра экологических наук Университета Мэриленда. «Они особенно эффективны ... инженеры экосистемы». Кабельные бактерии «разрастаются как лесной пожар», - говорит она; на приливных устричных рифах она нашла,Один кубический сантиметр грязи может содержать 2859 метров кабелей, которые цементируют частицы на месте, что, возможно, делает отложения более устойчивыми для морских организмов .

Бактерии также изменяют химический состав грязи, делая слои, расположенные ближе к поверхности, более щелочными, а более глубокие - более кислыми , обнаружил Малкин. По ее словам, такие градиенты pH могут влиять на «многочисленные геохимические циклы», включая те, которые связаны с мышьяком, марганцем и железом, создавая возможности для других микробов.

Исследователи говорят, что, поскольку обширные участки планеты покрыты грязью, бактерии, связанные с кабелями и нанопроводами, вероятно, оказывают влияние на глобальный климат. Бактерии на основе нанопроволок, например, могут отбирать электроны из органических материалов, таких как мертвые диатомовые водоросли, а затем передавать их другим бактериям, которые производят метан - мощный парниковый газ. В различных обстоятельствах кабельные бактерии могут снизить выработку метана.

В ближайшие годы «мы увидим широкое признание важности этих микробов для биосферы», - говорит Малкин. Спустя чуть более десяти лет после того, как Нильсен заметил загадочное исчезновение сероводорода из орхусской грязи, он говорит: «Головокружительно думать о том, с чем мы здесь имеем дело».

Далее: телефон с питанием от микробных проводов?

Первооткрыватели электрических микробов быстро задумались о том, как использовать эти бактерии. «Теперь, когда мы узнали, что эволюция смогла создать электрические провода, было бы обидно, если бы мы не использовали их», - говорит Ларс Петер Нильсен, микробиолог из Университета Орхуса.

Одно из возможных применений - обнаружение и контроль загрязнителей. Кабельные микробы, похоже, процветают в присутствии органических соединений, таких как нефть , и Нильсен и его команда проверяют возможность того, что обилие кабельных бактерий сигнализирует о наличии необнаруженного загрязнения в водоносных горизонтах. Бактерии не разлагают масло напрямую, но могут окислять сульфид, вырабатываемый другими маслоядными бактериями. Они также могут помочь в уборке;Осадки быстрее восстанавливаются от загрязнения сырой нефтью, когда они заселяются кабельными бактериями , сообщила другая исследовательская группа в январе в журнале Water Research . В Испании третья команда изучает, могут ли нанопроволочные бактерии ускорить очистку загрязненных водно-болотных угодий. И даже до того, как бактерии на основе нанопроволоки оказались электрическими, они показали перспективу обеззараживания ядерных отходов и водоносных горизонтов, загрязненных ароматическими углеводородами, такими как бензол или нафталин.

Электрические бактерии также могут дать начало новым технологиям. По словам Дерека Ловли, микробиолога из Массачусетского университета (UMass), Амхерст, они могут быть генетически модифицированы, чтобы изменить их нанопроволоки, которые затем могут быть отрезаны, чтобы сформировать основу чувствительных носимых датчиков. «Мы можем разработать нанопровода и адаптировать их для специфического связывания интересующих соединений». Например, в выпуске Nano Research от 11 мая Lovely, инженер UMass Джун Яо и их коллеги описали датчик на основе нанопроволоки, который обнаруживает аммиак в концентрациях, необходимых для сельскохозяйственных, промышленных, экологических и биомедицинских приложений.

Созданные в виде пленки, нанопровода могут генерировать электричество из влаги в воздухе.Исследователи полагают, что пленка генерирует энергию, когда между верхним и нижним краями пленки возникает градиент влажности. (Верхний край больше подвержен воздействию влаги.) Поскольку атомы водорода и кислорода воды разделяются из-за градиента, возникает заряд и текут электроны. Яо и его команда сообщили 17 февраля в Nature, что такая пленка может создать достаточно энергии, чтобы зажечь светоизлучающий диод, а 17 таких устройств, соединенных вместе, могут обеспечить питание мобильного телефона. Подход представляет собой «революционную технологию для получения возобновляемой, экологически чистой и дешевой энергии», - говорит Цюй Лянти, ученый-материаловед из Университета Цинхуа. (Другие более осторожны, отмечая, что прошлые попытки выжать энергию из влаги с помощью графена или полимеров не увенчались успехом.)

В конечном итоге исследователи надеются использовать электрические способности бактерий, не имея дело с привередливыми микробами. Ловли, например, уговорил обычную лабораторную и промышленную бактерию Escherichia coli сделать нанопроволоки. Это должно облегчить исследователям массовое производство структур и изучение их практического применения.