Zespół prowadzony przez bionautykę Rice University Caroline Ajo-Franklin odkrył, jak niektóre bakterie oddychają, wytwarzając energię elektryczną, stosując naturalny proces, który popycha elektrony do ich otoczenia zamiast oddychania tlenu. Odkrycia, opublikowane w Cell w zeszłym miesiącu, mogą umożliwić nowe rozwój czystej energii i biotechnologii przemysłowej.
Określając, w jaki sposób te bakterie wydalają elektrony zewnętrznie, naukowcy oferują spojrzenie na wcześniej ukrytą strategię życia bakteryjnego. Ta praca, która łączy biologię z elektrochemią, stanowią podstawę do przyszłych technologii, które wykorzystują unikalne możliwości tych organizmów mikroskopowych.
„Nasze badania nie tylko rozwiązują długotrwałą tajemnicę naukową, ale także wskazują na nową i potencjalnie powszechną strategię przetrwania w charakterze”-powiedział Ajo-Frananklin, profesor Biosciences, dyrektor Instytutu Biologii Syntetycznej Rice oraz Instytut Zapobiegania Rice'owi i Badawczej Teksasu (CPRIT).
Wyjaśniono elektryczne oddychanie
Większość nowoczesnych organizmów opiera się na tlenu w celu metabolizacji żywności i uwalniania energii. Tlen służy jako ostateczny akceptor elektronów w łańcuchu reakcji wytwarzających energię. Ale bakterie, znacznie starsze niż współczesne organizmy, takie jak ludzie i rośliny, ewoluowały inne sposoby oddychania w środowiskach pozbawionych tlenu, w tym głębokich otworach i ludzkim jelicie.
Naukowcy odkryli, że niektóre bakterie stosują naturalnie występujące związki zwane naftochinonami do przenoszenia elektronów na powierzchnie zewnętrzne. Proces ten, znany jako oddychanie pozakomórkowe, naśladuje sposób rozwiązywania prądu elektrycznego, umożliwiając bakterie bez tlenu.
Naukowcy od dawna obserwują ten niezwykły sposób oddychania i wykorzystali go w biotechnologii jako coś w rodzaju czarnej skrzynki. Teraz zespół prowadzony przez ryż odkrył swój mechanizm-przełom, który sugeruje, że oddychanie pozakomórkowe może być znacznie bardziej powszechne w naturze, niż wcześniej uważał.
„Ten nowo odkryty mechanizm oddychania jest prostym i genialnym sposobem na wykonanie pracy” – powiedział Biki Bapi Kundu, doktorant z ryżu i pierwszy autor badania. „Naftochinony działają jak kurierze molekularne, niosąc elektrony z komórki, aby bakterie mogły rozbić żywność i wytwarzać energię”.
Symulacja życia bez powietrza
Badacze Rice współpracowali z Palsson Lab na University of California San Diego, aby przetestować swoje ustalenia. Korzystając z zaawansowanego modelowania komputerowego, symulowały wzrost bakterii w środowiskach pozbawionych tlenu, ale bogate w przewodzące powierzchnie.
Symulacje ujawniły, że bakterie rzeczywiście mogą się utrzymać poprzez rozładowywanie elektronów zewnętrznych. Dalsze testy laboratoryjne potwierdziły, że bakterie umieszczone na materiałach przewodzących nadal rosły i wytwarzają energię elektryczną, skutecznie oddychając przez powierzchnię.
To interdyscyplinarne podejście pogłębiło zrozumienie wszechstronności metabolizmu bakteryjnego i ujawniło metodę w czasie rzeczywistym do monitorowania elektronicznego i wpływającego na zachowania bakteryjne.
Zastosowania w czystej technologii i nie tylko
To fundamentalne odkrycie ma daleko idące praktyczne implikacje. Procesy biotechnologiczne, takie jak oczyszczanie ścieków i produkcja bianimowa, mogą zostać znacznie ulepszone poprzez lepsze zarządzanie nierównowagą elektronów. Bakterie eksploatacyjne energii elektrycznej mogą naprawić te nierównowagi, aby systemy działały skutecznie.
„Nasza praca stanowi podstawę do wykorzystania dwutlenku węgla poprzez energię elektryczną odnawialną, w której bakterie działają podobnie jak rośliny ze światłem słonecznym w fotosyntezy”-powiedział Ajo-Franklin. „Otwiera drzwi do budowania mądrzejszych, bardziej zrównoważonych technologii z biologią”.
Technologia może również umożliwić czujniki bioelektroniczne w środowiskach pozbawionych tlenu, oferując nowe narzędzia do diagnostyki medycznej, monitorowania zanieczyszczeń i eksploracji głębokiej przestrzeni.
Współautorami tego badania są Jayanth Krishnan, Richard Szubin, Arjun Patel, Bernhard Palsson i Daniel Zieliński z UC San Diego. CPRIT i Novo Nordisk Foundation sfinansowały badanie.