Mystiska bakterier som gör elektriska ledningar

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

För Lars Peter Nielsen började allt med det mystiska försvinnandet av svavelväte. Mikrobiologen samlade den svarta, illaluktande leran från botten av Århus hamn i Danmark, kastade den i stora glasbägare och satte in speciella mikrosensorer som upptäckte förändringar i lerans kemiska sammansättning.

I början av experimentet var kompositionen mättad med vätesulfid - källan till lukten och färgen på sedimentet. Men 30 dagar senare blev en remsa av smuts blek, vilket tyder på förlusten av svavelväte. Så småningom visade mikrosensorerna att hela anslutningen var borta. Med tanke på vad forskarna visste om lerans biogeokemi, minns Nielsen från Aarhus Universitet, "var det inte vettigt alls."

Den första förklaringen, sa han, var att sensorerna var fel. Men anledningen visade sig vara mycket märkligare: bakterierna som förbinder cellerna skapar elektriska kablar som kan leda ström upp till 5 centimeter genom smutsen.

En anpassning som aldrig tidigare setts hos mikrober gör att dessa så kallade kabelbakterier kan övervinna ett stort problem som många organismer som lever i lera står inför: brist på syre. Dess frånvaro hindrar vanligtvis bakterier från att metabolisera föreningar som vätesulfid för mat. Men kablar, genom att binda mikrober till syrerika avlagringar, låter dem reagera över långa avstånd.

När Nielsen beskrev upptäckten första gången 2009 var hans kollegor skeptiska. Philip Meisman, en kemiingenjör vid universitetet i Antwerpen, minns att han tänkte: "Detta är fullständigt nonsens." Ja, forskarna visste att bakterier kunde leda elektricitet, men inte på de avstånd Nielsen föreslog. "Det var som om våra egna metaboliska processer kunde påverka ett avstånd på 18 kilometer", säger mikrobiolog Andreas Teske vid University of North Carolina vid Chapel Hill.

Men ju mer forskarna letade efter "elektrifierad" lera, desto mer hittade de den i både salt och sötvatten. De identifierade också en andra typ av smutsälskande elektrisk mikrober: nanotrådsbakterier, individuella celler som odlar proteinstrukturer som kan flytta elektroner över kortare avstånd.

Dessa nanotrådsmikrober finns överallt, inklusive i människans mun

Upptäckter tvingar forskare att skriva om läroböcker; tänka om lerbakteriernas roll i bearbetningen av nyckelämnen som kol, kväve och fosfor; och se över hur de påverkar akvatiska ekosystem och klimatförändringar.

Forskare letar också efter praktiska tillämpningar och utforskar potentialen hos bakterier som innehåller kablar och nanotrådar för att bekämpa föroreningar och driva elektroniska enheter. "Vi ser mycket mer interaktioner inom mikrober och mellan mikrober som använder elektricitet," säger Meisman. "Jag kallar det den elektriska biosfären."

De flesta celler trivs genom att ta elektroner från en molekyl, en process som kallas oxidation, och överföra dem till en annan molekyl, vanligtvis syre, som kallas reduktion. Energin som erhålls från dessa reaktioner styr andra livsprocesser. I eukaryota celler, inklusive våra egna, sker sådana "redox"-reaktioner på mitokondriernas inre membran, och avstånden mellan dem är små - bara mikrometer. Det är därför så många forskare var skeptiska till Nielsens påstående att kabelbakterier flyttar elektroner genom ett lager av smuts som är lika stort som en golfboll.

Att försvinna svavelväte var nyckeln till att bevisa detta. Bakterierna gör en förening i leran, bryter ner växtrester och andra organiska material; i djupare avlagringar ansamlas svavelväte på grund av syrebrist, vilket hjälper andra bakterier att bryta ner det. Men svavelväte försvann fortfarande i Nielsens bägare. Dessutom uppträdde en rostig nyans på ytan av smutsen, vilket indikerade bildandet av järnoxid.

När Nielsen vaknade en natt kom han med en konstig förklaring: tänk om bakterier begravda i leran fullbordade redoxreaktionen och på något sätt kringgick de syrefattiga lagren? Tänk om de istället använde den rikliga tillgången på svavelväte som elektrondonator och sedan kanaliserade elektronerna mot den syrerika ytan? Där, i oxidationsprocessen, bildas rost om järn finns.

Att hitta vad som bär dessa elektroner har visat sig svårt. Först var Niels Riesgaard-Petersen från Nielsens team tvungen att utesluta en enklare möjlighet: metallpartiklar i sedimentet transporterar elektroner till ytan och orsakar oxidation. Han åstadkom detta genom att sätta in ett lager glaspärlor som inte leder elektricitet i en smutspelare. Trots detta hinder hittade forskarna fortfarande en elektrisk ström som rörde sig genom leran, vilket tyder på att metallpartiklarna inte var ledande.

För att se om en kabel eller tråd bar elektroner använde forskarna sedan volframtråd för att göra ett horisontellt snitt genom lerkolonnen. Strömmen gick ut, som om en tråd hade klippts av. Andra arbeten minskade storleken på ledaren, vilket antydde att den borde vara minst 1 mikrometer i diameter. "Detta är den normala storleken på bakterier", säger Nielsen.

I slutändan avslöjade elektronmikrofotografier en trolig kandidat: långa, tunna bakteriefibrer som dök upp i ett lager av glaspärlor som satts in i bägare fyllda med lera från Aarhus Harbor. Varje filament bestod av en stapel celler - upp till 2 000 - inneslutna i ett räfflat yttre membran. I utrymmet mellan detta membran och cellerna staplade ovanpå varandra sträckte ett flertal parallella "trådar" ut tråden över hela dess längd. Det kabelliknande utseendet inspirerade mikrobens vanliga namn.

Meisman, en före detta skeptiker, konverterades snabbt. Kort efter att Nielsen tillkännagav sin upptäckt, bestämde sig Meismann för att undersöka ett av sina egna prover av havslera. "Jag märkte samma färgförändringar i sedimentet som han såg," minns Meisman. "Det var Moder Naturs riktning att ta det på större allvar."

Hans team började utveckla verktyg och metoder för mikrobiell forskning, ibland i samarbete med Nielsens grupp. Det var jobbigt att gå. Bakteriefilament tenderar att försämras snabbt efter isolering, och standardelektroder för att mäta strömmar i små ledare fungerar inte. Men när forskarna lärde sig att välja ut en enda sträng och snabbt fästa en enskild elektrod, "såg vi riktigt hög konduktivitet", säger Meisman. Strömförande kablar kan inte konkurrera med koppartrådar, sa han, men de matchar de ledare som används i solpaneler och mobiltelefonskärmar, såväl som de bästa organiska halvledarna.

Forskarna analyserade också kabelbakteriernas anatomi. Med hjälp av kemiska bad isolerade de det cylindriska skalet och upptäckte att det innehöll 17 till 60 parallella fibrer limmade inuti. Skalet är källan till ledning, rapporterade Meisman och kollegor förra året i Nature Communications. Dess exakta sammansättning är fortfarande okänd, men den kan vara proteinbaserad.

"Det är en komplex organism", säger Nielsen, som nu leder Center for Electro-Microbiology, som skapades 2017 av den danska regeringen. Bland de problem som centret löser är massproduktion av mikrober i kultur.”Om vi hade en renodling skulle det vara mycket lättare” att testa idéer om cellmetabolism och miljöns effekt på ledning, säger Andreas Schramm från centret. De odlade bakterierna kommer också att göra det lättare att isolera kabeltrådar och testa potentiella biosanerings- och biotekniktillämpningar.

Medan forskare funderar över bakterierna i kabeln tittar andra på en annan stor aktör inom elektrisk lera: nanotrådsbaserade bakterier som istället för att vika ihop celler till kablar växer proteintrådar 20 till 50 nm långa från varje cell.

Precis som med kabelbakterier ledde den mystiska kemiska sammansättningen av avlagringarna till upptäckten av nanotrådsmikrober. 1987 försökte mikrobiolog Derek Lovley, nu vid University of Massachusetts Amherst, förstå hur fosfat från gödselmedelsavloppsvatten – ett näringsämne som främjar algblomning – frigörs från sediment under Potomac River i Washington, DC. arbetade och började rensa bort dem ur smutsen. Efter att ha odlat en, nu kallad Geobacter Metallireducens, märkte han (under ett elektronmikroskop) att bakterierna hade växt bindningar med närliggande järnmineraler. Han misstänkte att elektroner bars längs dessa ledningar, och så småningom kom han på att Geobacter organiserade kemiska reaktioner i leran, oxiderade organiska föreningar och överförde elektroner till mineraler. Dessa reducerade mineraler frigör sedan fosfor och andra element.

Liksom Nielsen mötte Lovely skepsis när han först beskrev sin elektriska mikrob. Men idag har han och andra registrerat nästan ett dussin typer av nanotrådsmikrober och hittat dem i andra miljöer än smuts. Många bär elektroner till och från partiklar i sedimentet. Men vissa förlitar sig på andra mikrober för att ta emot eller lagra elektroner. Detta biologiska partnerskap tillåter båda mikroberna att "engagera sig i nya typer av kemi som ingen organism kan göra ensam", säger Victoria Orfan, en geobiolog vid California Institute of Technology. Medan kabelbakterier löser sina redoxbehov genom att transporteras långa sträckor in i syresatt lera, är dessa mikrober beroende av varandras metabolism för att tillgodose sina redoxbehov.

Vissa forskare diskuterar fortfarande hur bakteriella nanotrådar leder elektroner. Lovley och hans kollegor är övertygade om att nyckeln är kedjor av proteiner som kallas piliner, som består av cirkulära aminosyror. När han och hans kollegor minskade mängden ringade aminosyror i pilinet blev nanotrådarna mindre ledande. "Det var verkligen fantastiskt", säger Lovely, eftersom det är allmänt accepterat att proteiner är isolatorer. Men andra tycker att denna fråga är långt ifrån löst. Orphan, till exempel, säger att även om "det finns överväldigande bevis … tror jag fortfarande inte att [ledningen av nanotråden] är väl förstådd."

Det som är tydligt är att elektriska bakterier finns överallt. 2014 upptäckte forskare till exempel kabelbakterier i tre mycket olika livsmiljöer i Nordsjön: i ett tidvattensaltträsk, i en havsbotten där syrehalten sjunker till nästan noll under vissa årstider, och i en översvämmad lerig slätt nära havet …. Strand. (De hittade dem inte i ett sandigt område bebott av maskar som bildar sediment och stör kablar.) På andra ställen har forskare hittat DNA-bevis för kabelbakterier i djupa, syrefattiga havsbassänger, områden med varma källor och kalla förhållanden. spill och mangrove- och tidvattenbankar i både tempererade och subtropiska regioner.

Kabelbakterier finns även i sötvattenmiljöer. Efter att ha läst Nielsens artiklar 2010 och 2012 undersökte ett team under ledning av mikrobiologen Rainer Meckenstock sedimentkärnor som borrades under en undersökning av grundvattenföroreningar i Düsseldorf, Tyskland. "Vi hittade [kabelbakterierna] precis där vi trodde att vi skulle hitta dem," på djup där syre var utarmat, minns Mekenstock, som arbetar vid universitetet i Duisburg-Essen.

Nanotrådsbakterier är ännu mer utbredda. Forskare har hittat dem i jordar, risfält, djupa tarmar och till och med avloppsreningsverk, såväl som i sötvatten och marina sediment. De kan existera överallt där biofilmer bildas, och biofilmernas förekomst är ytterligare ett bevis på den stora roll som dessa bakterier kan spela i naturen.

Den stora variationen av elektriska slambakterier tyder också på att de spelar en viktig roll i ekosystemen. Till exempel, genom att förhindra uppbyggnad av svavelväte, gör kabelbakterier sannolikt smuts mer beboelig för andra livsformer. Meckenstock, Nielsen och andra har hittat dem på eller nära rötterna av sjögräs och andra vattenväxter som frigör syre, vilket bakterier förmodligen använder för att bryta ned svavelväte. Detta skyddar i sin tur växterna från den giftiga gasen. Partnerskapet "verkar mycket karakteristiskt för vattenväxter," sa Meckenstock.

Robert Aller, en marin biogeokemist vid Stony Brook University, tror att bakterier också kan hjälpa många undervattensryggradslösa djur, inklusive maskar som bygger hålor som tillåter syresatt vatten att komma in i leran. Han hittade kabelbakterier som stack upp på sidorna av maskrören, förmodligen så att de kunde använda detta syre för att lagra elektroner. I sin tur är dessa maskar skyddade från giftigt svavelväte. "Bakterier gör [hålan] mer beboelig", säger Aller, som beskrev länkarna i en artikel i juli 2019 i Science Advances.

Mikrober förändrar också egenskaperna hos smuts, säger Saira Malkin, en ekolog vid University of Marylands Center for Environmental Sciences. "De är särskilt effektiva … ekosystemingenjörer." Kabelbakterier "växer som en löpeld", säger hon; På tidvatten ostronrev, fann hon, En kubikcentimeter lera kan innehålla 2 859 meter kablar som cementerar partiklarna på plats, vilket möjligen gör sedimentet mer motståndskraftigt mot marina organismer.

Bakterierna förändrar också smutsens kemi, vilket gör lager närmare ytan mer alkaliska och djupare lager surare, fann Malkin. Sådana pH-gradienter kan påverka "många geokemiska cykler", inklusive de som är associerade med arsenik, mangan och järn, sa hon, vilket skapar möjligheter för andra mikrober.

Eftersom stora delar av planeten är täckta av lera, säger forskarna, kommer bakterier associerade med kablar och nanotrådar sannolikt att ha en inverkan på det globala klimatet. Nanotrådsbakterier, till exempel, kan ta elektroner från organiska material som döda kiselalger och sedan skicka dem vidare till andra bakterier som producerar metan, en kraftfull växthusgas. Under olika omständigheter kan kabelbakterier minska metanproduktionen.

Under de kommande åren "kommer vi att se ett brett erkännande av dessa mikrobers betydelse för biosfären", säger Malkin. Lite drygt tio år efter att Nielsen uppmärksammat det mystiska försvinnandet av svavelväte från Aarhus-leran säger han: "Det är svindlande att tänka på vad vi har att göra med här."

Nästa upp: en telefon som drivs av mikrobiella ledningar?

Pionjärerna inom elektriska mikrober funderade snabbt på hur man skulle använda dessa bakterier."Nu när vi vet att evolutionen har kunnat skapa elektriska ledningar skulle det vara synd om vi inte använde dem", säger Lars Peter Nielsen, mikrobiolog vid universitetet i Aarhus.

En möjlig tillämpning är upptäckt och kontroll av föroreningar. Kabelmikrober verkar trivas i närvaro av organiska föreningar som olja, och Nielsen och hans team testar möjligheten att överflödet av kabelbakterier signalerar närvaron av oupptäckta föroreningar i akviferer. Bakterierna bryter inte ner oljan direkt, men de kan oxidera sulfiden som produceras av andra oljiga bakterier. De kan också hjälpa till att städa upp; nederbörden återhämtar sig snabbare från förorening av råolja när den koloniseras av kabelbakterier, rapporterade en annan forskargrupp i januari i tidskriften Water Research. I Spanien undersöker ett tredje team om nanotrådsbakterier kan påskynda saneringen av förorenade våtmarker. Och redan innan nanotrådsbaserade bakterier var elektriska visade de löftet om att sanera kärnavfall och akviferer förorenade med aromatiska kolväten som bensen eller naftalen.

Elektriska bakterier kan också ge upphov till ny teknik. De kan modifieras genetiskt för att förändra sina nanotrådar, som sedan kan skäras av för att bilda ryggraden i känsliga bärbara sensorer, enligt Derek Lovley, en mikrobiolog vid University of Massachusetts (UMass), Amherst. "Vi kan designa nanotrådar och anpassa dem för att specifikt binda föreningar av intresse." Till exempel, i 11 maj Lovely-numret av Nano Research, beskrev UMass-ingenjören Jun Yao och deras kollegor en nanotrådsbaserad sensor som detekterar ammoniak i koncentrationer som behövs för jordbruks-, industri-, miljö- och biomedicinska tillämpningar.

Skapat som en film kan nanotrådar generera elektricitet från fukt i luften. Forskare tror att filmen genererar energi när en fuktgradient uppstår mellan filmens övre och nedre kanter. (Den övre kanten är mer mottaglig för fukt.) När väte- och syreatomerna i vattnet separeras på grund av gradienten, genereras laddning och elektroner flödar. Yao och hans team rapporterade i Nature den 17 februari att en sådan film skulle kunna skapa tillräckligt med energi för att tända en lysdiod, och 17 sådana enheter kopplade ihop skulle kunna driva en mobiltelefon. Tillvägagångssättet är "en revolutionerande teknik för att generera förnybar, ren och billig energi", säger Qu Lianti, en materialvetare vid Tsinghua University. (Andra är mer försiktiga och noterar att tidigare försök att pressa energi ur fukt med grafen eller polymerer har misslyckats.)

I slutändan hoppas forskarna kunna utnyttja bakteriers elektriska förmågor utan att behöva ta itu med kräsna mikrober. Catch, till exempel, övertalade den vanliga laboratorie- och industribakterien Escherichia coli att göra nanotrådar. Detta borde göra det lättare för forskare att masstillverka strukturerna och studera deras praktiska tillämpningar.