В то время как людям и (почти) всем остальным животным на планете для выживания необходим кислород, многие виды бактерий подошли к этому вопросу более творчески.
Вместо того чтобы использовать кислород в качестве конечного акцептора электронов для клеточного дыхания, некоторые бактерии могут использовать железо или марганец, эффективно "дыша" металлами. С момента первых открытий Shewanella oneidensis и Geobacter metallireducens в отложениях озера Онейда и реки Потомак эти "электрические бактерии" приобрели известность как компоненты микробных топливных элементов и микробного электросинтеза для производства топлива и других биохимических веществ.
Мох Эль-Наггар, биофизик из Университета Южной Калифорнии, интересуется этими организмами уже почти два десятилетия. После многих лет изучения динамики переноса электронов в этих бактериях по отдельности и в биопленках Эль-Наггар изучает, как эти организмы могут стать связующим звеном между живым и неживым миром, используя опыт, накопленный в ходе эволюции, для создания гибридной электроники.
Как вы попали в область электромикробиологии?
Будучи аспирантом Калифорнийского технологического института, я занимался прикладной физикой и материаловедением. Когда в 2006 году я завершал обучение в аспирантуре, мне захотелось перейти в мир биофизики. В моей голове возникла идея, что вместо того, чтобы присоединиться к физической лаборатории, которая занимается биологией, лучшим вариантом было бы присоединиться к биологической лаборатории - погрузиться туда и просто посмотреть, как это работает.
Это означало, что я искал вакансии в постдокторантуре, для которых совершенно не подходил. Я никогда раньше даже не занимался культивированием бактерий. В те дни я связался с кучей людей, и однажды позвонил Кену Нилсону, выдающемуся микробиологу из Университета Южной Калифорнии. Только позже я узнал, что именно он впервые выделил Shewanella oneidensis, которая стала модельным организмом для изучения этого нового класса микробов, который мы теперь в обиходе называем электробактериями.
Я сказал ему: "Я слышал, что вы занимаетесь всеми этими интересными проектами с бактериями и электронами. Возможно, я знаю что-то о переносе электронов, но я никогда не работал с бактериями". Вместо того чтобы отказать мне, он спросил, смогу ли я приехать в к нему в тот же день. Дальше все пошло как по маслу. Так что мой вход в эту область был, по сути, холодным звонком одному очень уважаемому микробиологу, который решил мне поверить.
Как открытие электрических бактерий Нилсоном и другими исследователями в 1980-х годах изменило представление ученых о клеточном дыхании?
Люди давно знали, что существуют анаэробные бактерии, которым для выживания не нужен кислород. Но, по общему мнению, молекула, которую бактерии используют вместо кислорода, должна быть растворимой; она должна попадать внутрь клеток, чтобы использоваться в процессе дыхания. Кен и другой выдающийся микробиолог Дерек Ловли из Массачусетского университета независимо друг от друга обнаружили анаэробные микробы, которые функционировали по-другому. Вместо того чтобы ждать, пока электроноакцепторная молекула попадет в клетку, бактерии переносят электроны за пределы клетки на твердую поверхность.
Почему возникла такая стратегия дыхания? В природе существует множество минералов с железом и марганцем, которые обладают окислительно-восстановительной активностью, то есть позволяют отдавать электроны. Просто эти минералы не могут попасть внутрь клетки, поэтому бактериям приходится распространять свои электронно-транспортные цепи на окружающий их абиотический мир.
Как бактерии могут экспортировать эти электроны?
Мы уже давно поняли, что электроны могут перемещаться в клетках с помощью электронного туннелирования - перемещения через очень маленькие расстояния, возможно, в несколько нанометров, между одной молекулой и другой. Оказалось, что многие из изучаемых нами организмов строят молекулы, называемые мультигемными цитохромами, которые по сути являются белками с железными центрами. Электрон может перепрыгивать от одного железа к другому с помощью этого туннельного процесса.
Один из наших главных вкладов в эту область - демонстрация того, что этот процесс не ограничивается одномоментными прыжками через пару нанометров; длинные цепочки этих белков с железными центрами могут нанизываться друг на друга. Таким образом, электрон может перемещаться не только на пару нанометров, но и на многие микроны. На самом деле он может преодолевать даже большие расстояния. Таким же образом электроны могут перемещаться в многоклеточных сообществах - от клетки к клетке в бактериальных биопленках.
Кабельные бактерии - это многоклеточные бактерии, способные осуществлять транспорт электронов на большие расстояния. Фото: T. Yang, University of Southern California.
Как это исследование перешло от фундаментальной науки к изучению потенциальных приложений?
Это интересная научная история, потому что она развивалась в самых неожиданных направлениях. Вначале ученые были в восторге от этой идеи, потому что это был новый способ дыхания, и они хотели изучить основы физиологии.
Затем исследователи поняли, что если бактерии могут отправлять свои электроны на поверхности вне клетки, то мы сможем использовать их для создания биобатарей. Можно ли вместо минерала дать им электрод, похожий на клемму батареи или топливного элемента? Оказалось, что ответ положительный. После этого они стали думать, всегда ли электрон должен двигаться изнутри клетки наружу или можно сделать наоборот. Можно ли вместо того, чтобы получать электричество из бактерий, подавать электричество в клетки и заставлять их заниматься интересными химическими процессами, например восстанавливать углекислый газ, чтобы получить топливо?
Нам всегда хочется думать, что мы такие умные, что если кто-то что-то откроет, то мы сразу поймем, к чему это приведет. Оказывается, в подавляющем большинстве случаев все происходит совсем не так. Мы просто открываем что-то, а потом в мире находится достаточно умных людей, чтобы направить это в неожиданное русло. Это один из самых весомых аргументов в пользу фундаментальных исследований.
Каким вы видите будущее этой области?
В последние несколько лет я размышляю о классе устройств, которые я называю "живой электроникой". Идея заключается в следующем: традиционная электроника очень хороша, но есть вещи, которые биология умеет делать лучше. Например, биология - это очень низкое энергопотребление; энергопотребление целой бактерии - это то, что мы просто не можем превзойти.
Для работы целого человека требуется меньше энергии, чем для старой лампы накаливания.
Даже при таком низком энергопотреблении живые существа очень хорошо обрабатывают информацию и принимают решения. Клетки также очень хорошо чувствуют: они могут обнаружить всего несколько молекул чего-либо. Можем ли мы взять эти вещи, в которых биология очень хороша, и соединить их с традиционной электроникой, которой мы умеем манипулировать и управлять? Ключ к соединению этих двух частей вместе - это наличие организмов, с которыми можно общаться с помощью электронов, и это именно то, к чему эти микробы естественным образом эволюционировали.
Мы знаем, что бактерии можно использовать в качестве биосенсоров, но что, если я хочу, чтобы бактерия не просто вырабатывала зеленый флуоресцентный белок, когда видит молекулу, которую я хочу обнаружить? Вместо этого я хочу, чтобы она посылала электрический импульс непосредственно на традиционную электронику. Аналогично, можно ли использовать это для вычислений? Могу ли я использовать механику того, как клетки принимают решения и обеспечивают вход и выход с помощью электрического импульса?
Мы изучаем, как работают эти микроорганизмы, и учимся манипулировать ими на поверхностях, подобно традиционной электронике. В традиционной электронике для создания точных схем электроники используется литография, и оказалось, что мы можем использовать синтетическую биологию для создания аналогичных схем клеток с помощью света.
Используя оптогенетику, мы можем создавать бактерии, которые увеличивают или уменьшают экспрессию молекул переноса электронов в ответ на свет. Это похоже на использование полупроводникового легирования в традиционной электронике: оно увеличивает или уменьшает перенос электронов. Это может позволить нам начать создавать из этих клеток вещи, похожие на транзисторы. Мы хотели бы поиграть с концепцией соединения живых клеток с традиционной электроникой, воспользовавшись тем, что некоторые бактерии умеют делать уже несколько миллиардов лет.
