Електричний подих життя: як бактерії, що “дихають” струмом, можуть змінити майбутнє енергетики

Уявіть собі мікроскопічний світ, де замість кисню істоти вдихають і видихають… електрику. Світ, де життя пульсує не в ритмі серцебиття, а в такт електронів, що рухаються крізь клітинні мембрани. Цей світ не фантастика і не далеке майбутнє — він існує тут і зараз, у мулистих відкладеннях річок, на дні океанів, у глибинах ґрунту і навіть у нашому власному травному тракті. Команда дослідників з Університету Райса під керівництвом біофізика Керолайн Ахо-Франклін нещодавно зазирнула в цей дивовижний світ і виявила, що деякі бактерії здатні “дихати” електрикою, використовуючи механізм, який може докорінно змінити наше розуміння життя та відкрити нові горизонти для чистої енергетики.

Подих без кисню: як бактерії навчилися генерувати електрику

Більшість живих організмів на Землі, включаючи людей і рослини, використовують кисень для метаболізму їжі та вивільнення енергії. Кисень служить кінцевим акцептором електронів у ланцюжку реакцій, що виробляють енергію. Однак бактерії, які з’явилися на нашій планеті задовго до сучасних організмів, розвинули інші способи дихання в середовищах, позбавлених кисню.

За даними Rice University News, дослідники виявили, що деякі бактерії використовують природні сполуки, відомі як нафтохінони, для передачі електронів на зовнішні поверхні. Цей процес, відомий як позаклітинне дихання, імітує те, як батареї розряджають електричний струм, дозволяючи бактеріям процвітати без кисню.

“Наше дослідження не лише розв’язує давню наукову загадку, але й вказує на нову і потенційно широко поширену стратегію виживання в природі”, — зазначає професорка Ахо-Франклін, директорка Інституту синтетичної біології Університету Райса.

Бікі Бапі Кунду, докторант і перший автор дослідження, пояснює: “Цей новий відкритий механізм дихання — це простий і геніальний спосіб виконати завдання. Нафтохінони діють як молекулярні кур’єри, переносячи електрони з клітини, щоб бактерії могли розщеплювати їжу і генерувати енергію”.

Електрохімія життя: як працює бактеріальна “електростанція”

Щоб краще зрозуміти цей процес, дослідники з Університету Райса співпрацювали з лабораторією Палссона в Каліфорнійському університеті Сан-Дієго. Вони використовували передове комп’ютерне моделювання для симуляції бактеріального росту в середовищах, позбавлених кисню, але багатих на провідні поверхні.

Згідно з Phys.org, симуляції показали, що бактерії дійсно можуть підтримувати себе, розряджаючи електрони зовні. Подальші лабораторні тести підтвердили, що бактерії, розміщені на провідних матеріалах, продовжували рости і генерувати електрику, ефективно “дихаючи” через поверхню.

Дослідження, опубліковане в журналі Cell, розкриває, що різноманітні мікроби використовують редокс-човники для обміну електронами з навколишнім середовищем через опосередкований позаклітинний перенос електронів (EET), підтримуючи анаеробне виживання. Хоча опосередкований EET використовувався для біоелектрокаталізу протягом десятиліть, фундаментальні питання про те, як ці редокс-човники відновлюються всередині клітин і яку роль вони відіграють у клітинній біоенергетиці, залишалися без відповіді.

“Тут ми інтегруємо редагування геному, електрохімію та системну біологію для дослідження механізму та біоенергетики опосередкованого EET в Escherichia coli, який був невловимим протягом понад двох десятиліть. За відсутності альтернативних електронних стоків, редокс-циклінг 2-гідрокси-1,4-нафтохінону (HNQ) через цитоплазматичні нітроредуктази NfsB і NfsA дозволяє E. coli дихати на позаклітинному електроді”, — пояснюють дослідники у своїй роботі.

Від глибоководних джерел до лабораторій: історія відкриття електричних бактерій

Історія вивчення бактерій, що генерують електрику, почалася з відкриття незвичайних мікроорганізмів у глибоководних гідротермальних джерелах. Ці екстремальні середовища, позбавлені кисню, але багаті на мінерали, стали ідеальним місцем для еволюції альтернативних форм дихання.

За інформацією Earth.com, деякі види, включаючи Shewanella і Geobacter, давно відомі здатністю передавати електрони на зовнішні поверхні, навіть оксиди металів, під час росту в зонах з обмеженим киснем. Вчені виявили, що ці організми виробляють невеликий, але стабільний електричний струм через цей процес.

Однак справжній прорив стався, коли дослідники виявили, що ця здатність не обмежується лише кількома спеціалізованими видами. Виявляється, навіть звичайна кишкова паличка (E. coli) може за певних умов перемикатися на “електричне дихання”.

Це відкриття змінило наше розуміння бактеріального метаболізму. Раніше вважалося, що в безкисневих умовах бактерії обмежені ферментацією, але тепер ми знаємо, що багато звичайних бактерій можуть мати приховані здібності до передачі електронів.

Кабельні бактерії: живі електричні дроти в природі

Особливо вражаючим прикладом електрогенеруючих мікроорганізмів є так звані “кабельні бактерії”. Згідно з Good News Network, нещодавно був відкритий новий вид таких бактерій у мулистих відкладеннях затоки Якіна в Орегоні.

Цей вид, названий Ca. Electrothrix yaqonensis на честь затоки та корінних американців, які традиційно жили там, має унікальні структурні особливості. Кабельні бактерії містять нікель у своєму тілі і формують довгі нитки з окремих бактеріальних тканин, з’єднаних мембраною, яку вони виробляють. Ці особливості дозволяють їм передавати електрони вздовж свого тіла.

Ченг Лі, постдокторський дослідник Орегонського державного університету, зазначає: “Цей новий вид, здається, є мостом, ранньою гілкою в межах клади Ca. Electrothrix, що свідчить про те, що він може надати нові уявлення про те, як ці бактерії еволюціонували і як вони можуть функціонувати в різних середовищах. Він виділяється серед усіх інших описаних видів кабельних бактерій з точки зору його метаболічного потенціалу”.

Лі вказує на відмінні структурні особливості істоти, включаючи найбільші поверхневі гребені, які спостерігаються серед кабельних бактерій, під якими лежать високопровідні волокна, виготовлені з унікальних молекул на основі нікелю. Ці волокна дозволяють бактеріям здійснювати транспорт електронів на великі відстані, з’єднуючи акцептори електронів, такі як кисень або нітрат на поверхні відкладень, з донорами, такими як сульфід у глибших шарах відкладень.

Практичне застосування: від очищення стічних вод до біоелектроніки

Відкриття механізмів, за допомогою яких бактерії генерують електрику, відкриває широкі можливості для практичного застосування. За даними Knowridge Science Report, краще управління електронними дисбалансами може значно покращити очищення стічних вод і біовиробництво.

У очищенні стічних вод, наприклад, управління надлишком електронів може бути складним. Ці бактерії могли б допомогти збалансувати систему природним шляхом. В інших галузях, таких як виробництво з використанням мікробів або навіть перетворення вуглекислого газу в корисні продукти з використанням відновлюваної електроенергії, така поведінка бактерій могла б стати ключовою частиною рішення.

“Ці бактерії можуть передавати електрони для очищення забруднювачів, тому їх можна використовувати для видалення шкідливих речовин з відкладень”, — зазначає Лі. “Крім того, їхній дизайн високопровідного нікелевого білка може, можливо, надихнути на створення нової біоелектроніки”.

Згідно з Interesting Engineering, електрика, що виробляється бактеріями, може знайти застосування в різних промислових галузях. Оскільки ці бактерії можуть полегшити накопичення електронів, вони мають потенційне використання в біоелектронних сенсорах, медичних інструментах, моніторах забруднення або навіть системах підтримки життя в космосі — скрізь, де традиційні джерела енергії стикаються з труднощами.

Майбутнє енергетики: мікробні паливні елементи та біобатареї

Одним із найперспективніших напрямків застосування електрогенеруючих бактерій є створення мікробних паливних елементів (МПЕ) та біобатарей. Ці пристрої використовують бактерії для перетворення хімічної енергії органічних сполук безпосередньо в електрику.

За інформацією Scienmag, професорка Ахо-Франклін вважає, що їхні відкриття закладають основу для використання вуглекислого газу через відновлювану електрику, де бактерії функціонують подібно до рослин із сонячним світлом у фотосинтезі. Це відкриває двері до створення розумніших, більш стійких технологій з біологією в основі.

Дослідники з Китаю вже розробили біобатарею, яка використовує електроактивні бактерії, інкапсульовані в гідрогель на основі альгінату, для генерації електрики. Ця технологія може знайти застосування в малопотужних електронних пристроях, сенсорах і навіть медичних імплантатах.

Крім того, вчені працюють над створенням “живих матеріалів”, які поєднують електрогенеруючі бактерії з провідними полімерами для створення самовідновлюваних електронних компонентів. Такі матеріали могли б революціонізувати електроніку, створюючи пристрої, які можуть самостійно відновлюватися після пошкодження.

Екологічні переваги: боротьба зі зміною клімату за допомогою мікробів

Електрогенеруючі бактерії можуть відіграти важливу роль у боротьбі зі зміною клімату. Вони можуть допомогти у видаленні вуглекислого газу з атмосфери, перетворюючи його на корисні органічні сполуки за допомогою електроенергії з відновлюваних джерел.

Цей процес, відомий як мікробний електросинтез, імітує фотосинтез, але замість сонячного світла використовує електрику. Він дозволяє перетворювати CO₂ на біопаливо, хімічні речовини та інші цінні продукти, одночасно зменшуючи кількість парникових газів в атмосфері.

Крім того, електрогенеруючі бактерії можуть допомогти у розкладанні стійких забруднювачів, таких як пластик і нафтові розливи. Вони можуть передавати електрони на ці сполуки, прискорюючи їх розкладання і перетворюючи їх на менш шкідливі речовини.

“З невеликою інженерією ці клітини можуть навіть використовувати вуглекислий газ за допомогою відновлюваної енергії. Концепція імітує фотосинтез у рослинах, але тут бактерії можуть покладатися на зовнішню електрику в контрольованому середовищі”, — зазначають дослідники.

Медичні перспективи: від діагностики до лікування

Електрогенеруючі бактерії відкривають нові можливості в медицині. Вони можуть бути використані для створення біосенсорів, які виявляють специфічні біомаркери захворювань, або для доставки ліків у конкретні частини тіла.

Наприклад, дослідники працюють над створенням “розумних” пробіотиків, які можуть виявляти запалення в кишечнику і виробляти протизапальні сполуки у відповідь. Ці пробіотики використовують електрохімічні сигнали для виявлення змін у середовищі кишечника і активації відповідних генів.

Крім того, електрогенеруючі бактерії можуть бути використані для створення імплантованих біопаливних елементів, які живляться глюкозою крові і забезпечують енергією медичні пристрої, такі як кардіостимулятори і інсулінові помпи. Це усуває необхідність у хірургічній заміні батарей, значно покращуючи якість життя пацієнтів.

Виклики та обмеження: що стоїть на шляху до широкого впровадження

Незважаючи на величезний потенціал, впровадження технологій на основі електрогенеруючих бактерій стикається з кількома викликами. Одним з основних обмежень є низька потужність, яку виробляють ці бактерії. Хоча вони можуть генерувати стабільний струм, його величина зазвичай недостатня для живлення енергоємних пристроїв.

Крім того, існують проблеми з масштабуванням цих технологій. Лабораторні прототипи часто працюють добре, але перехід до промислових масштабів вимагає вирішення багатьох технічних проблем, таких як підтримка стабільних бактеріальних культур, забезпечення ефективного перенесення електронів і запобігання забрудненню.

Ще одним викликом є регуляторні питання. Використання генетично модифікованих бактерій у навколишньому середовищі або медичних застосуваннях вимагає ретельної оцінки безпеки і відповідності суворим регуляторним стандартам.

Незважаючи на ці виклики, дослідники залишаються оптимістичними щодо майбутнього технологій на основі електрогенеруючих бактерій. З подальшими дослідженнями і розробками багато з цих обмежень можуть бути подолані, відкриваючи шлях до широкого впровадження цих інноваційних технологій.

Висновки: мікроскопічна революція з глобальним впливом

Відкриття механізмів, за допомогою яких бактерії генерують електрику, є не просто науковою цікавістю, а потенційним каталізатором революції в енергетиці, екології та медицині. Ці мікроскопічні організми, які еволюціонували протягом мільярдів років, можуть допомогти нам вирішити деякі з найбільших викликів сучасності, від зміни клімату до стійких до антибіотиків інфекцій.

Як зазначає професорка Ахо-Франклін: “Робота закладає основу для використання вуглекислого газу через відновлювану електрику, де бактерії функціонують подібно до рослин із сонячним світлом у фотосинтезі. Це відкриває двері до створення розумніших, більш стійких технологій з біологією в основі”.

У світі, де потреба в чистій енергії та сталих технологіях стає все більш нагальною, електрогенеруючі бактерії пропонують унікальне рішення, яке гармонійно поєднує біологію та технологію. Вони нагадують нам, що іноді найбільш інноваційні рішення можна знайти не в складних машинах чи алгоритмах, а в простих організмах, які оточують нас.

Можливо, майбутнє енергетики не в гігантських електростанціях чи складних реакторах, а в мікроскопічних бактеріях, які тихо “дихають” електрикою в мулі під нашими ногами. І це майбутнє може бути ближче, ніж ми думаємо.

Джерела:
Rice University News
Phys.org
Earth.com
Knowridge Science Report
Interesting Engineering
Good News Network
Scienmag