Обитающие в иле кабельные бактерии строят металлоорганические каркасы для роста.
Считайте их микроскопическими кабелеукладчиками. В илистых отложениях по всему миру крошечные бактерии питаются и растут, прокладывая в иле электрические провода. Исследователи утверждают, что им удалось выяснить, как эти миниатюрные электрики, известные как кабельные бактерии, делают это: создают крошечные пластины из никеля и органических соединений, связывают их в проводящие волокна и заплетают в жгуты. Ученые считают, что им удалось найти первый биологический пример металлоорганического каркаса - материала, создатели которого в прошлом месяце были удостоены Нобелевской премии по химии. Бактериальные каналы также проводят электричество гораздо лучше, чем синтетические органические провода, что может послужить образцом для создания гибкой, биосовместимой электроники с низким потреблением металла и энергии.
Исследование, опубликованное в прошлом месяце в виде препринта на сайте bioRxiv, еще не прошло рецензирование. Но Ларс Питер Нильсен, электромикробиолог из Орхусского университета, который не принимал участия в исследовании, говорит, что результат «очень впечатляет». «Если это действительно так, то это большой шаг в нашем понимании того, на что способны кабельные бактерии», - говорит он. «Это то, к чему мы стремились долгие годы».
С тех пор как в 2009 году сотрудники Нильсена впервые обнаружили кабельные бактерии в датской гавани Орхус, эти микроорганизмы стали находить по всему миру в отложениях озер, рек и океанов. Они питаются богатыми серой соединениями, которые выделяются при разложении органических веществ, например сероводородом. Бактерии отбирают электроны у зловонного, бесцветного газа и передают их кислороду, который в изобилии содержится только в верхнем слое осадка. Поскольку электроны переходят из более высокого энергетического состояния в сероводороде в более низкое в кислороде, микробы могут получить часть этой разницы в энергии для себя.
Чтобы расти и получать доступ к сероводороду, который в изобилии содержится в более глубоких отложениях, микробы должны продолжать завершать реакции, передавая электроны кислороду на поверхности. Решение для бактерий: размножаться и сотрудничать. По мере размножения бактерии, протягивая провода вглубь ила, образуют индивидуальный суперорганизм, имеющий единую внешнюю клеточную мембрану. «Это уникальное явление в биологии», - утверждает Дерек Ловли, микробиолог из Массачусетского университета. На сегодняшний день исследователи обнаружили проволоки длиной до 5 сантиметров, состоящие из 25 000 кабельных бактерий, которые работают в сотрудничестве, чтобы построить то, что можно сравнить с трубкой.
Один квадратный метр осадочных пород может содержать около 20 000 километров бактериальных проводов.
Исследователи обнаружили, что эти маленькие инженеры перестраивают химический ландшафт осадочных пород, способствуя преобразованию минералов, круговороту питательных веществ и стимулируя миграцию ионов, которые подкисляют более глубокие слои. Однако за более чем десять лет исследований так и не удалось определить структуру этих проводов. Теперь это стало возможным благодаря исследованию Филипа Мейсмана, инженера-химика из Университета Антверпена. Он и его коллеги выделили отдельные нити бактерий и с помощью электронной микроскопии обнаружили, что по их периметру располагаются десятки гребней, каждый из которых содержит проводящие волокна размером всего 50 нанометров. При ближайшем рассмотрении оказалось, что эти волокна содержат еще более мелкие пучки сплетенных «нановолокон».
Далее авторы использовали химические данные, полученные с помощью рентгеновской спектроскопии, рентгеновской флуоресценции и компьютерного моделирования, чтобы определить структуру этих нановолокон. Исследователи полагают, что кабельные бактерии собирают следовые количества никеля из отложений и воды и создают длинные пластиноподобные структуры, соединяя атомы металла с богатыми серой органическими соединениями. Затем эти пластины складываются в нановолокна, которые, в свою очередь, сплетаются в жгуты, создавая гибкие провода, подобные медной оплетке, используемой сегодня в домашней электронике. «Впечатляет, как эволюция оптимизировала эту структуру», - отмечает Нильсен.
Более того, исследователи считают, что эта структура представляет собой первый биологически созданный металлоорганический каркас - класс материалов, который уже много лет восхищает химиков. Пустоты внутри этих пористых материалов могут быть приспособлены для улавливания определенных молекул, что делает их полезными для хранения газов, таких как водород и метан, или для поглощения водяного пара или углекислого газа из воздуха.
Химики также придумали свои способы синтезировать никель и органические соединения и преобразовывать их в проводящие нанопроволоки. Но Мейсман и его коллеги сообщают, что бактериальные нанопроволоки имеют в 100 раз большую прововдимость, чем современные синтетические версии. По данным Ловли, исследователи уже работают над адаптацией других бактериальных проводников для создания искусственных нейронов, новых типов химических датчиков и даже для сбора электричества непосредственно из влажного воздуха. "Возможно, кабельные бактерии приведут и другим инновациям", - говорит Ловли.
