Eisenatmer NZZ

Microbii pot „respira” metale la fel ca noi oamenii cu oxigenul. Acest lucru permite curățarea solului și a apelor subterane contaminate. O dispută a izbucnit în rândul cercetătorilor cu privire la mecanismele de bază.

Când microbiologul Derek Lovley a descoperit bacteria Geobacter în noroiul râului Potomac, în apropiere de Washington DC, în 1987, nu avea nici o idee despre proprietățile sale extraordinare. Cu toate acestea, în curând a devenit clar că Geobacter derivă energia pentru metabolismul său din reducerea chimică a fierului: bacteria transferă electronii din alimentele sale carbonice în oxidul de fier din sol și din apele subterane. Procesul este similar cu cel al respirației celulare umane. Aici este generată energia într-un proces biochimic, electronii fiind transferați în oxigenul pe care îl respirăm. Cu toate acestea, la Geobacter, fierul înlocuiește oxigenul din lanțul respirator - o noutate în biologie.

Când microbiologul Derek Lovley a descoperit bacteria Geobacter în noroiul râului Potomac, în apropiere de Washington DC, în 1987, nu avea nici o idee despre proprietățile sale extraordinare. Cu toate acestea, a devenit curând clar că Geobacter derivă energia pentru metabolismul său din reducerea chimică a fierului: bacteria transferă electronii din alimentele sale carbonice în oxidul de fier din sol și din apele subterane. Procesul este similar cu cel al respirației celulare umane. Aici este generată energia într-un proces biochimic, electronii fiind transferați în oxigenul pe care îl respirăm. Cu toate acestea, la Geobacter, fierul înlocuiește oxigenul din lanțul respirator - o noutate în biologie.

Puterea de curățare

În anii următori, au fost investigate alte specii Geobacter și s-a demonstrat că organismele pot folosi nu numai fierul, ci și alte metale pentru metabolismul lor. Geobacter sulfurreducens poate dona electroni pentru sulf, Geobacter uraniireducens către uraniu radioactiv. Acest lucru a deschis posibilitatea utilizării bacteriilor pentru a curăța, de exemplu, solul și apele subterane ale minelor de uraniu dezafectate. Geobacter transferă câte doi electroni către ionii de uraniu care apar în sol, reducându-i la dioxid de uraniu. Spre deosebire de ionii de uraniu, acest lucru este greu solubil în apă. Se precipită sub formă de solid, deci este mult mai dificil de distribuit în apele subterane și nu devine un pericol la fel de rapid. Astfel de procese de curățare folosind bacterii sunt cunoscute de experți ca bioremediere.

De câțiva ani încoace, cercetătorii testează puterea de curățare a Geobacter pe un loc de testare la Laboratorul Național Pacific Northwest din Colorado. În timpul Războiului Rece, uraniul din zăcământ a fost folosit pentru fabricarea armelor nucleare pentru armată. Fabrica s-a închis în 1972, dar materialul radioactiv este încă prezent în apele subterane. Cu ajutorul Geobacter, conținutul de uraniu din apă a fost redus cu 90% în decurs de 50 de zile. Deoarece bacteriile apar oricum în majoritatea solurilor, a fost suficient să le creștem numărul hrănindu-le. Cercetătorii au injectat oțet în sol ca furaj.

Sârme multifuncționale

Nu este clar cât timp microbii transferă electronii către metale. În 2005, totuși, echipa de cercetare a lui Lovley a arătat că procesele de proteine asemănătoare firelor, cunoscute sub numele de pili, sunt implicate în reducerea metalelor. Cercetătorii au numit pili de la Geobacter „nanofire” - fire care au un diametru de câțiva nanometri. Cu toate acestea, lungimea lor poate fi de câțiva micrometri. Astfel de proteine conductoare electric nu erau cunoscute anterior.

Cercetătorii cred că gama lungă de nanofire oferă bacteriilor beneficii metabolice semnificative. Organismele unicelulare ar putea folosi piliul într-un mod similar cu modul în care un scafandru folosește un snorkel: literalmente intră în contact cu particulele de metal care sunt departe. Piliul poate fi, de asemenea, privit ca un mijloc de respirație „externalizare”. Ultimul pas din lanțul respirator, transferul electronilor către un acceptor de electroni metalici, are loc în afara bacteriei. Acesta este un avantaj care nu trebuie subestimat, deoarece particulele vitale de metal sunt la fel de mari ca cele ale unei bacterii. Bacteriile nu pot absorbi particulele atât de ușor.

Când uraniul este inspirat, transferul de electroni în afara corpului celulei asigură, de asemenea, direct supraviețuirea microbilor, așa cum au arătat recent cercetătorii de la Universitatea de Stat din Michigan. Au modificat celulele Geobacter astfel încât să nu formeze pili. Apoi, bacteriile au redus uraniul din celule, ceea ce a dus la distrugerea lor

Deci, utilizarea pililor pare plauzibilă. Și este, de asemenea, clar că pilii conduc efectiv electricitatea. Cu toate acestea, mecanismul exact de conducere este încă necunoscut, deși a apărut o lucrare recentă despre care Lovley și colegii săi cred că arată că nanofilele conduc electricitatea într-un mod similar cu metalul. single pili. Rezultatele indică o conducție metalică, așa cum se observă în nanostructurile sintetice din metal sau în metalele dezordonate.

Colegi sceptici

Cu toate acestea, comunitatea mică de cercetare care se ocupă de acest subiect rămâne sceptică. Luați-l pe Yuri Gorby, de exemplu: fostul postdoctor al lui Lovley a început recent să lucreze la Universitatea din California de Sud și are puternice îndoieli că pilii pot fi de fapt caracterizați ca metalele. Deja cade cu Lovley. În perioada de angajat la Lovley, el a inventat termenul și conceptul de „nanofire”, spune Gorby. Însă un comportament îndoielnic din punct de vedere moral a asigurat că faima revine acum celorlalți.

Astăzi, Gorby studiază și alte tulpini bacteriene despre care suspectează că sunt pili conductori. În 2006 a demonstrat astfel de nanofire pentru un organism numit Shewanella. ⁴ Similar Geobacter, Shewanella folosește respirația fierului pentru metabolismul său. Gorby suspectează că foarte multe - aproape toate microorganismele - sunt capabile să formeze fire de proteine conductoare. În opinia sa, rețelele care leagă microorganismele de-a lungul granițelor speciilor ar putea juca un rol central în multe procese: de la ciclurile de material din sol până la bolile cauzate de bacterii. De asemenea, el crede că este posibil ca microbii să „comunice” prin intermediul rețelelor formate din nanofire și să facă schimb de informații într-un mod similar rețelelor neuronale.

O nouă zonă de cercetare

Gorby și echipa sa încearcă în prezent să caracterizeze „conductomul” bacteriilor - genele care sunt probabil necesare pentru conductivitatea pililor. Cu aceasta, Gorby vrea să ajute noul domeniu de cercetare al electro-microbiologiei să realizeze o descoperire. Cu toate acestea, Lovley pune la îndoială ideile lui Gorby. El insistă asupra faptului că pilii conductori electric au fost detectați până acum doar pentru Geobacter și respinge lucrările publicate despre nanofire în Shewanella. Chiar și Jim Fredrickson, șeful de atunci al grupului de cercetare responsabil, s-a îndepărtat între timp de rezultatele Shewanella, susține Lovley.

Fredrickson contrazice vehement acest lucru: „Nu m-am abătut de la rezultatele noastre la momentul respectiv. Întreb interpretarea, acestea sunt două lucruri complet diferite. " Dovezile conductivității electrice a unui material nu sunt suficiente pentru a concluziona că există un transfer microbian de electroni. Un alt mecanism necunoscut anterior ar putea provoca conductivitate.

Există multă mișcare în acest controversat domeniu de cercetare; puțin pare sigur sau imposibil până acum. În orice caz, înțelegerea conducerii energiei electrice în bacterii nu ar trebui să servească doar la extinderea turnului de fildeș academic, Gorby și Lovley sunt de acord asupra acestui lucru. Pentru utilizare în bioremediere, generarea de electricitate din microbii consumatori de metan și dezvoltarea componentelor bioelectronice, adică senzori sau dispozitive de analiză medicală care utilizează nanofire fabricate din bacterii, ar putea fi folosite în viitor.

1 Nature 435, 1098-1101 (2005); 2 PNAS 108: 15248-15252 (2011); 3 Nature Nanotechnology 6: 573-579 (2011); ⁴ PNAS 103, 11358–11363 (2006).