Удивительное открытие бактериальных нанопроводов может привести к созданию живых и самовосстанавливающихся электрических цепей
У бактерий рода Geobacter, открытых в конце 80-х годов прошлого века, есть несколько примечательных особенностей. Они живут в почве и на дне водоёмов – там, где нет кислорода, который геобактеры не любят. При этом энергию они получают, окисляя разнообразные органические вещества, включая нефтяные углеводороды, и металлы, в том числе и радиоактивные, вроде урана.
Окисляя субстрат, бактерии отбирают у него электроны и передают его по сложной цепочке белков. Во время этого путешествия электронов происходят биохимические реакции, в которых энергия запасается в химической форме, удобной и доступной для клетки. Образно говоря, электронный поток крутит колёса белковой электростанции.
Но электронный поток нужно в итоге куда-то сбрасывать. Бактерии рода Geobacter используют для этого серу, оксиды железа и другие соединения других металлов. И вот со сбросом электронов связана другая, ещё более любопытная особенность геобактеров. Несколько лет назад исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте обнаружили, что биоплёнки бактерий Geobacter sulfurreducens проводят электроны так же хорошо, как искусственные металлические наноструктуры. Дальнейшие эксперименты показали, что электричество в бактериальных биоплёнках бежит по белковым нитям, растущим на поверхности клеток. То есть через эти нити бактерии отводят электроны, оторванные от окисляемого субстрата, передавая их наружу, на другой субстрат, который готов их принять – то есть на серу, на оксиды железа и т. д.
Теперь, определив механизм потока электронов, исследователи из Йельского университета изучают способы улучшения этой естественной электропроводности внутри нанопроводов толщиной 1/100 000 ширины человеческого волоса.
В новом исследовании под названием «300-кратное увеличение проводимости микробных цитохромных нанопроводов из-за температурной реструктуризации сетей водородных связей», опубликованном 11 мая 2022 г. в Science Advances, ученые под руководством аспиранта Питера Даля, вместе с доцентом кафедры молекулярной биофизики и биохимии в Институте микробных наук Нихилом Малванкаром, и профессором химии Виктором Батистой, обнаружили что нано-провода перемещают 10 миллиардов электронов в секунду без потери энергии. Это исследование объясняет замечательную способность бактерий Geobacter посылать электроны на большие расстояния.
Исследователи также обнаружили, что охлаждение среды вокруг нанопроводов бактерий увеличивает проводимость в 300 раз. Это очень удивительно, так как охлаждение обычно замораживает электроны и замедляет их в органических материалах. Объединив эксперименты с теорией, исследователи обнаружили, что более низкие температуры реструктурируют водородные связи и выравнивают гемовые белки внутри нанопроводов, тем самым усиливая поток электричества.
Использование этой естественной электрической сети может однажды привести к разработке живых и самовосстанавливающихся электрических цепей, новых источников электроэнергии и стратегий биовосстановления.
Кроме того, как мы говорили в начале, геобактеры добывают энергию из таких веществ, которые часто оказываются загрязнителями среды, поэтому, возможно, эти бактерии можно приспособить к экологической очистке почвы и воды.
