Mystiske bakterier, der laver elektriske ledninger

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

For Lars Peter Nielsen startede det hele med den mystiske forsvinden af svovlbrinte. Mikrobiologen samlede det sorte, ildelugtende mudder fra bunden af Aarhus havn i Danmark, smed det i store glasbæger og indsatte specielle mikrosensorer, der registrerede ændringer i mudderets kemiske sammensætning.

I begyndelsen af eksperimentet var sammensætningen mættet med hydrogensulfid - kilden til lugten og farven af sedimentet. Men 30 dage senere blev en strimmel snavs bleg, hvilket indikerer tab af svovlbrinte. Til sidst viste mikrosensorerne, at hele forbindelsen var væk. I betragtning af, hvad forskerne vidste om mudderets biogeokemi, husker Nielsen fra Aarhus Universitet, "gav det slet ikke mening."

Den første forklaring, sagde han, var, at sensorerne var forkerte. Men årsagen viste sig at være meget mere mærkelig: Bakterierne, der forbinder cellerne, skaber elektriske kabler, der kan lede strøm op til 5 centimeter gennem snavset.

En tilpasning, der aldrig er set før i mikrober, gør det muligt for disse såkaldte kabelbakterier at overvinde et stort problem, som mange organismer, der lever i mudder, står over for: mangel på ilt. Dets fravær forhindrer normalt bakterier i at metabolisere forbindelser som hydrogensulfid til mad. Men kabler, ved at binde mikrober til iltrige aflejringer, giver dem mulighed for at reagere over lange afstande.

Da Nielsen første gang beskrev opdagelsen i 2009, var hans kolleger skeptiske. Philip Meisman, en kemiingeniør ved universitetet i Antwerpen, husker, at han tænkte: "Dette er komplet nonsens." Ja, forskerne vidste, at bakterier kunne lede elektricitet, men ikke på de afstande, Nielsen foreslog. "Det var, som om vores egne metaboliske processer kunne påvirke en afstand på 18 kilometer," siger mikrobiolog Andreas Teske fra University of North Carolina i Chapel Hill.

Men jo mere forskere ledte efter "elektrificeret" mudder, jo mere fandt de det i både salt- og ferskvand. De identificerede også en anden type snavs-elskende elektrisk mikrobe: nanotrådsbakterier, individuelle celler, der dyrker proteinstrukturer, der kan flytte elektroner over kortere afstande.

Disse nanotrådsmikrober findes overalt, også i menneskets mund

Opdagelser tvinger forskere til at omskrive lærebøger; genoverveje mudderbakteriers rolle i behandlingen af nøgleelementer såsom kulstof, nitrogen og fosfor; og gennemgå, hvordan de påvirker akvatiske økosystemer og klimaændringer.

Forskere leder også efter praktiske anvendelser, hvor de udforsker potentialet for bakterier, der indeholder kabler og nanotråde, til at bekæmpe forurening og drive elektroniske enheder. "Vi ser meget flere interaktioner inden for mikrober og mellem mikrober ved hjælp af elektricitet," siger Meisman. "Jeg kalder det den elektriske biosfære."

De fleste celler trives ved at tage elektroner fra et molekyle, en proces kaldet oxidation, og overføre dem til et andet molekyle, normalt oxygen, kaldet reduktion. Den energi, der opnås ved disse reaktioner, styrer andre livsprocesser. I eukaryote celler, inklusive vores egne, forekommer sådanne "redox"-reaktioner på mitokondriernes indre membran, og afstandene mellem dem er små - kun mikrometer. Det er derfor, så mange forskere var skeptiske over for Nielsens påstand om, at kabelbakterier flytter elektroner gennem et lag snavs på størrelse med en golfbold.

At forsvinde svovlbrinte var nøglen til at bevise dette. Bakterierne laver en forbindelse i mudderet og nedbryder planterester og andre organiske materialer; i dybere aflejringer ophobes svovlbrinte på grund af iltmangel, hvilket hjælper andre bakterier med at nedbryde det. Svovlbrinte forsvandt dog stadig i Nielsens bægre. Desuden optrådte en rusten farvetone på overfladen af snavset, hvilket indikerede dannelsen af jernoxid.

Da Nielsen vågnede en nat, kom han med en mærkelig forklaring: hvad nu hvis bakterier begravet i mudderet fuldendte redoxreaktionen, og på en eller anden måde omgik de iltfattige lag? Hvad hvis de i stedet brugte den rigelige forsyning af svovlbrinte som en elektrondonor og derefter drev elektronerne op mod den iltrige overflade? Der dannes der i oxidationsprocessen rust, hvis der er jern til stede.

Det har vist sig svært at finde, hvad der bærer disse elektroner. Først måtte Niels Riesgaard-Petersen fra Nielsens hold udelukke en enklere mulighed: metalpartikler i sedimentet fører elektroner til overfladen og forårsager oxidation. Det opnåede han ved at indsætte et lag glasperler, der ikke leder elektricitet, ind i en søjle af snavs. På trods af denne forhindring fandt forskerne stadig en elektrisk strøm, der bevægede sig gennem mudderet, hvilket tyder på, at metalpartiklerne ikke var ledende.

For at se, om et kabel eller en ledning førte elektroner, brugte forskerne derefter wolframtråd til at lave et vandret snit gennem muddersøjlen. Strømmen gik ud, som om en ledning var blevet skåret over. Andet arbejde indsnævrede størrelsen på lederen, hvilket antydede, at den skulle være mindst 1 mikrometer i diameter. "Dette er den normale størrelse af bakterier," siger Nielsen.

I sidste ende afslørede elektronmikrofotografier en sandsynlig kandidat: lange, tynde bakteriefibre, der dukkede op i et lag glasperler indsat i bægre fyldt med mudder fra Aarhus Havn. Hvert filament bestod af en stak celler - op til 2.000 - indesluttet i en ribbet ydre membran. I mellemrummet mellem denne membran og cellerne stablet oven på hinanden strakte en flerhed af parallelle "tråde" tråden over hele dens længde. Det kabellignende udseende inspirerede mikrobens almindelige navn.

Meisman, en tidligere skeptiker, blev hurtigt omvendt. Kort efter Nielsen annoncerede sin opdagelse, besluttede Meismann at undersøge en af sine egne prøver af havmudder. "Jeg bemærkede de samme farveændringer i sedimentet, som han så," husker Meisman. "Det var Moder Naturs retning at tage det mere seriøst."

Hans team begyndte at udvikle værktøjer og metoder til mikrobiel forskning, nogle gange i samarbejde med Nielsens gruppe. Det var hårdt at gå. Bakterielle filamenter har en tendens til at forringes hurtigt efter isolering, og standardelektroder til måling af strømme i små ledere virker ikke. Men da forskerne lærte at udvælge en enkelt streng og hurtigt fastgøre en individuel elektrode, "så vi virkelig høj ledningsevne," siger Meisman. Levende kabler kan ikke konkurrere med kobberledninger, sagde han, men de matcher lederne, der bruges i solpaneler og mobiltelefonskærme, såvel som de bedste organiske halvledere.

Forskerne analyserede også kabelbakteriernes anatomi. Ved hjælp af kemiske bade isolerede de den cylindriske skal og fandt ud af, at den indeholdt 17 til 60 parallelle fibre limet sammen indeni. Skallen er kilden til ledning, rapporterede Meisman og kolleger sidste år i Nature Communications. Dens nøjagtige sammensætning er stadig ukendt, men den kan være proteinbaseret.

"Det er en kompleks organisme," siger Nielsen, som nu leder Center for Elektro-Mikrobiologi, oprettet i 2017 af den danske regering. Blandt de problemer, som centret løser, er masseproduktion af mikrober i kultur. "Hvis vi havde en ren kultur, ville det være meget nemmere" at teste ideer om cellemetabolisme og miljøets effekt på ledning, siger Andreas Schramm fra centeret. De dyrkede bakterier vil også gøre det lettere at isolere kabelledninger og teste potentielle bioremediering og bioteknologiske anvendelser.

Mens forskere undrer sig over bakterierne i kablet, kigger andre på en anden storspiller inden for elektrisk mudder: nanotrådsbaserede bakterier, der i stedet for at folde celler til kabler vokser proteintråde med en længde på 20 til 50 nm fra hver celle.

Som med kabelbakterier førte den mystiske kemiske sammensætning af aflejringerne til opdagelsen af nanotrådsmikrober. I 1987 forsøgte mikrobiolog Derek Lovley, nu ved University of Massachusetts Amherst, at forstå, hvordan fosfat fra gødningsspildevand - et næringsstof, der fremmer algeopblomstring - frigives fra sediment under Potomac-floden i Washington, DC. arbejdede og begyndte at luge dem ud af snavset. Efter at have dyrket en, nu kaldet Geobacter Metallireducens, bemærkede han (under et elektronmikroskop), at bakterierne havde skabt bindinger med nærliggende jernmineraler. Han havde mistanke om, at elektroner blev båret langs disse ledninger, og fandt til sidst ud af, at Geobacter orkestrerede kemiske reaktioner i mudderet, oxiderede organiske forbindelser og overførte elektroner til mineraler. Disse reducerede mineraler frigiver derefter fosfor og andre grundstoffer.

Ligesom Nielsen mødte Lovely skepsis, da han første gang beskrev sin elektriske mikrobe. I dag har han og andre imidlertid registreret næsten et dusin typer af nanotrådsmikrober og fundet dem i andre miljøer end snavs. Mange transporterer elektroner til og fra partikler i sedimentet. Men nogle er afhængige af andre mikrober til at modtage eller opbevare elektroner. Dette biologiske partnerskab giver begge mikrober mulighed for at "engagere sig i nye former for kemi, som ingen organisme kan gøre alene," siger Victoria Orfan, en geobiolog ved California Institute of Technology. Mens kabelbakterier løser deres redoxbehov ved at blive transporteret over lange afstande ind i iltet mudder, er disse mikrober afhængige af hinandens stofskifte for at opfylde deres redoxbehov.

Nogle forskere diskuterer stadig, hvordan bakterielle nanotråde leder elektroner. Lovley og hans kolleger er overbevist om, at nøglen er kæder af proteiner kaldet piliner, som består af cirkulære aminosyrer. Da han og hans kolleger reducerede mængden af ringmærkede aminosyrer i pilinen, blev nanotrådene mindre ledende. "Det var virkelig fantastisk," siger Lovely, fordi det er almindeligt accepteret, at proteiner er isolerende. Men andre mener, at dette spørgsmål langt fra er løst. Orphan siger for eksempel, at selvom "der er overvældende beviser … tror jeg stadig ikke, at [ledningen af nanotråden] er godt forstået."

Det, der er klart, er, at elektriske bakterier er overalt. I 2014 opdagede forskere for eksempel kabelbakterier i tre vidt forskellige levesteder i Nordsøen: i en tidevandssaltsump, i et havbundsbassin, hvor iltniveauet falder til næsten nul i nogle årstider, og i en oversvømmet mudret slette nær havet …. kyst. (De fandt dem ikke i et sandet område, der er beboet af orme, der samler sedimenter og forstyrrer kabler.) Andre steder har forskere fundet DNA-beviser for kabelbakterier i dybe, iltfattige havbassiner, varme kilder og kolde forhold. udslip og mangrover og tidevandsbanker i både tempererede og subtropiske områder.

Kabelbakterier findes også i ferskvandsmiljøer. Efter at have læst Nielsens artikler i 2010 og 2012 undersøgte et hold ledet af mikrobiolog Rainer Meckenstock sedimentkerner, der blev boret under en undersøgelse af grundvandsforurening i Düsseldorf, Tyskland. "Vi fandt [kabelbakterierne] præcis, hvor vi troede, vi ville finde dem," på dybder, hvor ilten var opbrugt, husker Mekenstock, der arbejder ved University of Duisburg-Essen.

Nanotrådsbakterier er endnu mere udbredte. Forskere har fundet dem i jord, rismarker, dybe tarme og endda spildevandsrensningsanlæg såvel som i ferskvands- og havsedimenter. De kan eksistere overalt, hvor der dannes biofilm, og biofilms allestedsnærværende er et yderligere bevis på den store rolle, disse bakterier kan spille i naturen.

Det store udvalg af elektriske slambakterier tyder også på, at de spiller en vigtig rolle i økosystemer. For eksempel, ved at forhindre opbygning af svovlbrinte, gør kabelbakterier sandsynligvis snavs mere beboeligt for andre livsformer. Meckenstock, Nielsen og andre har fundet dem på eller nær rødderne af søgræs og andre vandplanter, der frigiver ilt, som bakterier sandsynligvis bruger til at nedbryde svovlbrinte. Dette beskytter til gengæld planterne mod den giftige gas. Partnerskabet "ser meget karakteristisk for vandplanter," sagde Meckenstock.

Robert Aller, en marin biogeokemiker ved Stony Brook University, mener, at bakterier også kan hjælpe mange hvirvelløse undervandsdyr, herunder orme, der bygger huler, der tillader iltet vand at komme ind i mudderet. Han fandt kabelbakterier, der stak op ad siderne af ormerørene, formentlig så de kunne bruge denne ilt til at opbevare elektroner. Til gengæld er disse orme beskyttet mod giftigt svovlbrinte. "Bakterier gør [graven] mere beboelig," siger Aller, der beskrev linkene i en artikel fra juli 2019 i Science Advances.

Mikrober ændrer også egenskaberne af snavs, siger Saira Malkin, en økolog ved University of Marylands Center for Environmental Sciences. "De er særligt effektive … økosystemingeniører." Kabelbakterier "vokser som en steppebrand," siger hun; På tidevandsøstersrev fandt hun, at en kubikcentimeter mudder kan indeholde 2.859 meter kabler, der cementerer partiklerne på plads, hvilket muligvis gør sedimentet mere modstandsdygtigt over for marine organismer.

Bakterierne ændrer også snavsets kemi, hvilket gør lag tættere på overfladen mere basiske og dybere lag mere sure, fandt Malkin. Sådanne pH-gradienter kan påvirke "mange geokemiske cyklusser", herunder dem, der er forbundet med arsen, mangan og jern, sagde hun, hvilket skaber muligheder for andre mikrober.

Fordi store dele af planeten er dækket af mudder, siger forskerne, vil bakterier forbundet med kabler og nanotråde sandsynligvis have en indvirkning på det globale klima. Nanotrådsbakterier kan for eksempel tage elektroner fra organiske materialer som døde kiselalger og derefter sende dem videre til andre bakterier, der producerer metan, en kraftig drivhusgas. Under forskellige omstændigheder kan kabelbakterier reducere metanproduktionen.

I de kommende år "vil vi se en udbredt anerkendelse af disse mikrobers betydning for biosfæren," siger Malkin. Lidt over ti år efter Nielsen bemærkede den mystiske forsvinden af svovlbrinte fra Aarhus-mudderet, siger han: "Det er svimlende at tænke på, hvad vi har med at gøre her."

Næste op: en telefon drevet af mikrobielle ledninger?

Pionererne inden for elektriske mikrober tænkte hurtigt over, hvordan man kunne bruge disse bakterier."Nu hvor vi ved, at evolutionen har været i stand til at skabe elektriske ledninger, ville det være en skam, hvis vi ikke brugte dem," siger Lars Peter Nielsen, mikrobiolog ved Aarhus Universitet.

En mulig anvendelse er påvisning og kontrol af forurenende stoffer. Kabelmikrober synes at trives i nærvær af organiske forbindelser som olie, og Nielsen og hans team tester muligheden for, at overfloden af kabelbakterier signalerer tilstedeværelsen af uopdaget forurening i vandførende lag. Bakterierne nedbryder ikke olien direkte, men de kan oxidere sulfidet produceret af andre olieagtige bakterier. De kan også hjælpe med at rydde op; nedbør genvinder sig hurtigere fra råolieforurening, når den koloniseres af kabelbakterier, rapporterede en anden forskergruppe i januar i tidsskriftet Water Research. I Spanien er et tredje hold ved at undersøge, om nanotrådsbakterier kan fremskynde oprensningen af forurenede vådområder. Og selv før nanotråd-baserede bakterier var elektriske, viste de løftet om at dekontaminere nukleart affald og grundvandsmagasiner forurenet med aromatiske kulbrinter såsom benzen eller naphthalen.

Elektriske bakterier kan også give anledning til nye teknologier. De kan modificeres genetisk for at ændre deres nanotråde, som derefter kan skæres af for at danne rygraden i følsomme bærbare sensorer, ifølge Derek Lovley, en mikrobiolog ved University of Massachusetts (UMass), Amherst. "Vi kan designe nanotråde og tilpasse dem til specifikt at binde forbindelser af interesse." For eksempel beskrev UMass-ingeniør Jun Yao og deres kolleger i Lovely-udgaven den 11. maj af Nano Research en nanotråd-baseret sensor, der detekterer ammoniak i koncentrationer, der er nødvendige til landbrugs-, industri-, miljø- og biomedicinske applikationer.

Skabt som en film, kan nanotråde generere elektricitet fra fugt i luften. Forskere mener, at filmen genererer energi, når der opstår en fugtgradient mellem filmens øverste og nederste kant. (Den øverste kant er mere modtagelig for fugt.) Efterhånden som vandets brint- og oxygenatomer adskilles på grund af gradienten, genereres ladning, og elektroner strømmer. Yao og hans team rapporterede i Nature den 17. februar, at en sådan film kunne skabe nok energi til at tænde en lysdiode, og 17 sådanne enheder, der er forbundet med hinanden, kunne drive en mobiltelefon. Tilgangen er "en revolutionerende teknologi til at generere vedvarende, ren og billig energi," siger Qu Lianti, en materialeforsker ved Tsinghua University. (Andre er mere forsigtige og bemærker, at tidligere forsøg på at presse energi ud af fugt ved hjælp af grafen eller polymerer har været mislykkede.)

I sidste ende håber forskerne at kunne udnytte bakteriernes elektriske evner uden at skulle håndtere kræsne mikrober. Catch fik for eksempel den almindelige laboratorie- og industribakterie Escherichia coli til at lave nanotråde. Dette skulle gøre det lettere for forskere at masseproducere strukturerne og studere deres praktiske anvendelser.