Elektrik telleri yapan gizemli bakteriler

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

Lars Peter Nielsen için her şey hidrojen sülfürün gizemli bir şekilde ortadan kaybolmasıyla başladı. Mikrobiyolog, Danimarka'daki Aarhus limanının dibinden siyah, kokulu çamuru topladı, büyük cam beherlere attı ve çamurun kimyasal bileşimindeki değişiklikleri tespit eden özel mikrosensörler yerleştirdi.

Deneyin başlangıcında, bileşim, tortunun koku ve renginin kaynağı olan hidrojen sülfür ile doyuruldu. Ancak 30 gün sonra, bir kir şeridi soluklaştı, bu da hidrojen sülfür kaybını gösteriyor. Sonunda, mikro sensörler tüm bağlantının koptuğunu gösterdi. Bilim adamlarının çamurun biyojeokimyası hakkında bildikleri göz önüne alındığında, Aarhus Üniversitesi'nden Nielsen "hiç mantıklı gelmiyordu" diye hatırlıyor.

İlk açıklama, sensörlerin yanlış olduğuydu. Ancak sebebin çok daha garip olduğu ortaya çıktı: Hücreleri birbirine bağlayan bakteriler, kirden 5 santimetreye kadar akım iletebilen elektrik kabloları oluşturuyor.

Mikroplarda daha önce hiç görülmemiş bir adaptasyon, bu sözde kablo bakterilerinin çamurda yaşayan birçok organizmanın karşılaştığı büyük bir sorunun üstesinden gelmelerini sağlar: oksijen eksikliği. Yokluğu genellikle bakterilerin gıda için hidrojen sülfür gibi bileşikleri metabolize etmesini engeller. Ancak kablolar, mikropları oksijen açısından zengin birikintilere bağlayarak, uzun mesafelerde reaksiyona girmelerini sağlar.

Nielsen, keşfi 2009'da ilk kez anlattığında, meslektaşları şüpheciydi. Anvers Üniversitesi'nde kimya mühendisi olan Philip Meisman, "Bu tamamen saçmalık" diye düşündüğünü hatırlıyor. Evet, araştırmacılar bakterilerin elektriği iletebileceğini biliyorlardı, ancak Nielsen'in önerdiği mesafelerde değil. Chapel Hill'deki Kuzey Carolina Üniversitesi'nden mikrobiyolog Andreas Teske, “Sanki kendi metabolik süreçlerimiz 18 kilometrelik bir mesafeyi etkileyebilirdi” diyor.

Ancak araştırmacılar "elektrikli" çamuru ne kadar çok ararsa, onu hem tuzlu hem de tatlı suda o kadar çok buldular. Ayrıca kir seven ikinci bir elektrik mikrobu türü de tanımladılar: nanotel bakterileri, elektronları daha kısa mesafelerde hareket ettirebilen protein yapıları üreten bireysel hücreler.

Bu nanotel mikropları, insan ağzı dahil her yerde bulunur

Keşifler, araştırmacıları ders kitaplarını yeniden yazmaya zorlar; karbon, nitrojen ve fosfor gibi temel elementlerin işlenmesinde çamur bakterilerinin rolünü yeniden düşünün; ve su ekosistemlerini ve iklim değişikliğini nasıl etkilediklerini gözden geçirin.

Bilim adamları ayrıca, kirlilik ve güç elektroniği cihazlarıyla mücadele için kablolar ve nanoteller içeren bakterilerin potansiyelini keşfederek pratik uygulamalar arıyorlar. Meisman, "Mikroplar içinde ve elektrik kullanan mikroplar arasında çok daha fazla etkileşim görüyoruz" diyor. "Ben buna elektrik biyosferi diyorum."

Çoğu hücre, oksidasyon adı verilen bir işlem olan bir molekülden elektron alarak ve bunları indirgeme adı verilen, genellikle oksijen olan başka bir moleküle aktararak gelişir. Bu reaksiyonlardan elde edilen enerji diğer yaşam süreçlerini yönetir. Kendimiz de dahil olmak üzere ökaryotik hücrelerde, mitokondrinin iç zarında bu tür "redoks" reaksiyonları meydana gelir ve aralarındaki mesafeler küçüktür - sadece mikrometreler. Nielsen'in kablo bakterilerinin elektronları golf topu büyüklüğündeki bir toprak tabakasında hareket ettirdiği iddiasına pek çok araştırmacının şüpheyle yaklaşmasının nedeni budur.

Ortadan kaybolan hidrojen sülfür bunu kanıtlamanın anahtarıydı. Bakteriler çamurda bir bileşik oluşturarak bitki artıklarını ve diğer organik maddeleri parçalar; daha derin tortularda, oksijen eksikliği nedeniyle hidrojen sülfür birikir ve bu da diğer bakterilerin onu parçalamasına yardımcı olur. Bununla birlikte, Nielsen'in beherlerinde hidrojen sülfür hala kayboldu. Ayrıca, kirin yüzeyinde demir oksit oluşumunu gösteren paslı bir renk belirdi.

Bir gece uyandığında, Nielsen garip bir açıklama yaptı: Ya çamura gömülü bakteriler redoks reaksiyonunu tamamladıysa ve bir şekilde oksijenden fakir katmanları atladıysa? Bunun yerine, elektron donörü olarak bol miktarda hidrojen sülfür kaynağı kullansalar ve daha sonra elektronları oksijen açısından zengin yüzeye doğru yönlendirirlerse? Orada, oksidasyon işleminde demir varsa pas oluşur.

Bu elektronları neyin taşıdığını bulmak zor oldu. İlk olarak, Nielsen ekibinden Niels Riesgaard-Petersen daha basit bir olasılığı göz ardı etmek zorunda kaldı: tortudaki metal parçacıklar elektronları yüzeye taşır ve oksidasyona neden olur. Bunu, elektriği bir toprak sütununa iletmeyen bir cam boncuk tabakası yerleştirerek başardı. Bu engele rağmen, araştırmacılar çamurda hareket eden bir elektrik akımı buldular ve bu da metal parçacıkların iletken olmadığını düşündürdü.

Araştırmacılar, bir kablonun veya telin elektron taşıyıp taşımadığını görmek için çamur kolonu boyunca yatay bir kesim yapmak için tungsten tel kullandılar. Akım, bir tel kesilmiş gibi gitti. Diğer çalışmalar, iletkenin boyutunu daralttı, bu da en az 1 mikrometre çapında olması gerektiğini düşündürdü. Nielsen, "Bu, normal bakteri boyutudur" diyor.

Nihayetinde, elektron mikrografları olası bir adayı ortaya çıkardı: Aarhus Limanı'ndan çamurla doldurulmuş beherlere yerleştirilmiş bir cam boncuk tabakasında görünen uzun, ince bakteri lifleri. Her filament, yivli bir dış zarla çevrelenmiş bir dizi hücreden (2.000'e kadar) oluşuyordu. Bu zar ile birbiri üzerine yığılmış hücreler arasındaki boşlukta, çok sayıda paralel "tel" ipliği tüm uzunluğu boyunca gerdi. Kablo benzeri görünüm, mikrobun ortak ismine ilham verdi.

Eski bir şüpheci olan Meisman, çabucak dönüştürüldü. Nielsen keşfini açıkladıktan kısa bir süre sonra Meismann, kendi deniz çamuru örneklerinden birini araştırmaya karar verdi. Meisman, “Gördüğü tortuda aynı renk değişikliklerini fark ettim” diye hatırlıyor. "Daha ciddiye almak Tabiat Ana'nın talimatıydı."

Ekibi, bazen Nielsen'in grubuyla birlikte çalışarak mikrobiyal araştırmalar için araçlar ve yöntemler geliştirmeye başladı. Gitmek zordu. Bakteriyel filamentler, izolasyondan sonra hızla bozulma eğilimindedir ve küçük iletkenlerdeki akımları ölçmek için standart elektrotlar çalışmaz. Ancak araştırmacılar tek bir teli seçip tek bir elektrotu hızlı bir şekilde takmayı öğrendiklerinde, "gerçekten yüksek iletkenlik gördük" diyor Meisman. Canlı kablolar bakır tellerle rekabet edemez, ancak güneş panellerinde ve cep telefonu ekranlarında kullanılan iletkenlerin yanı sıra en iyi organik yarı iletkenlerle eşleşirler.

Araştırmacılar ayrıca kablo bakterilerinin anatomisini de incelediler. Kimyasal banyolar kullanarak, silindirik kabuğu izole ettiler ve içinde birbirine yapıştırılmış 17 ila 60 paralel lif içerdiğini buldular. Kabuk, iletimin kaynağıdır, Meisman ve meslektaşları geçen yıl Nature Communications'da bildirdiler. Kesin bileşimi hala bilinmemektedir, ancak protein bazlı olabilir.

Danimarka hükümeti tarafından 2017'de oluşturulan Elektro-Mikrobiyoloji Merkezi'ne şu anda başkanlık eden Nielsen, “Bu karmaşık bir organizma” diyor. Merkezin çözdüğü problemler arasında kültürdeki mikropların seri üretimi yer alıyor. Merkezden Andreas Schramm, “Saf bir kültürümüz olsaydı, hücre metabolizması ve çevrenin iletim üzerindeki etkisi hakkındaki fikirleri test etmek çok daha kolay olurdu” diyor. Kültürlenmiş bakteriler ayrıca kablo tellerini yalıtmayı ve potansiyel biyoremediasyon ve biyoteknoloji uygulamalarını test etmeyi kolaylaştıracaktır.

Araştırmacılar kablodaki bakteriler üzerinde kafa yorarken, diğerleri elektrik çamurunda başka bir önemli oyuncuya bakıyorlar: nanotel bazlı bakteriler, hücreleri kablolara katlamak yerine, her hücreden 20 ila 50 nm uzunluğunda protein telleri yetiştiriyor.

Kablo bakterilerinde olduğu gibi, tortuların gizemli kimyasal bileşimi, nanotel mikroplarının keşfine yol açtı. 1987'de, şimdi Massachusetts Amherst Üniversitesi'nde olan mikrobiyolog Derek Lovley, Washington DC'deki Potomac Nehri'nin altındaki tortudan gübre atık suyundaki fosfatın (alg oluşumunu destekleyen bir besin) nasıl salındığını anlamaya çalıştı. çalıştı ve onları kirden ayıklamaya başladı. Şimdi Geobacter Metallireducens olarak adlandırılan bir tanesini yetiştirdikten sonra, (bir elektron mikroskobu altında) bakterilerin yakındaki demir mineralleriyle bağ geliştirdiğini fark etti. Elektronların bu teller boyunca taşındığından şüphelendi ve sonunda Geobacter'in çamurdaki kimyasal reaksiyonları düzenlediğini, organik bileşikleri oksitlediğini ve elektronları minerallere aktardığını anladı. Bu indirgenmiş mineraller daha sonra fosfor ve diğer elementleri serbest bırakır.

Nielsen gibi, Lovely de elektrik mikrobunu ilk tanımladığında şüphecilikle karşı karşıya kaldı. Ancak bugün, o ve diğerleri, kir dışındaki ortamlarda bularak neredeyse bir düzine türde nanotel mikrop kaydettiler. Birçoğu tortudaki parçacıklara ve parçacıklardan elektron taşır. Ancak bazıları elektronları almak veya depolamak için diğer mikroplara güvenir. California Teknoloji Enstitüsü'nden bir jeobiyolog olan Victoria Orfan, bu biyolojik ortaklık, her iki mikropun da "hiçbir organizmanın tek başına yapamayacağı yeni kimya türleriyle meşgul olmasına" izin veriyor. Kablo bakterileri oksijenli çamura uzun mesafelere taşınarak redoks ihtiyaçlarını giderirken, bu mikroplar redoks ihtiyaçlarını karşılamak için birbirlerinin metabolizmalarına bağımlıdır.

Bazı araştırmacılar hala bakteriyel nanotellerin elektronları nasıl ilettiğini tartışıyor. Lovley ve meslektaşları, anahtarın pilin adı verilen ve dairesel amino asitlerden oluşan protein zincirleri olduğuna inanıyorlar. O ve meslektaşları pilin içindeki halkalı amino asitlerin miktarını azalttığında, nanoteller daha az iletken hale geldi. "Gerçekten şaşırtıcıydı" diyor Lovely, çünkü genellikle proteinlerin yalıtkan olduğu kabul ediliyor. Ancak diğerleri bu sorunun çözülmekten uzak olduğunu düşünüyor. Orphan, örneğin, "çok büyük kanıtlar olmasına rağmen… [nanotelin iletiminin] hala iyi anlaşıldığını düşünmüyorum" diyor.

Açık olan şu ki, elektrik bakterileri her yerdedir. Örneğin 2014'te bilim adamları, Kuzey Denizi'ndeki çok farklı üç habitatta kablo bakterileri keşfettiler: gelgitli bir tuz bataklığında, oksijen seviyelerinin bazı mevsimlerde neredeyse sıfıra düştüğü bir deniz yatağı havzasında ve deniz kenarında su basmış çamurlu bir ovada. … … sahil. (Onları, tortuları karıştıran ve kabloları bozan solucanların yaşadığı kumlu bir alanda bulamadılar.) Başka yerlerde, araştırmacılar derin, oksijenden fakir okyanus havzalarında, kaplıca bölgelerinde ve soğuk koşullarda kablo bakterilerinin DNA kanıtlarını buldular. hem ılıman hem de subtropikal bölgelerde dökülmeler, mangrovlar ve gelgit bankaları.

Kablo bakterileri tatlı su ortamlarında da bulunur. Nielsen'in 2010 ve 2012'deki makalelerini okuduktan sonra, mikrobiyolog Rainer Meckenstock liderliğindeki bir ekip, Almanya'nın Düsseldorf kentinde bir yeraltı suyu kirliliği araştırması sırasında açılan tortu çekirdeklerini yeniden inceledi. Duisburg-Essen Üniversitesi'nde çalışan Mekenstock, oksijenin tükendiği derinliklerde "[kablo bakterilerini] tam olarak onları bulacağımızı düşündüğümüz yerde bulduk" diye hatırlıyor.

Nanotel bakterileri daha da yaygındır. Araştırmacılar onları toprakta, pirinç tarlalarında, derin bağırsaklarda ve hatta kanalizasyon arıtma tesislerinde, ayrıca tatlı su ve deniz çökellerinde buldular. Biyofilmlerin oluştuğu her yerde var olabilirler ve biyofilmlerin her yerde bulunması, bu bakterilerin doğada oynayabileceği büyük rolün bir başka kanıtıdır.

Elektrikli çamur bakterilerinin çok çeşitli olması, ekosistemlerde önemli bir rol oynadıklarını da düşündürür. Örneğin, kablo bakterileri hidrojen sülfür oluşumunu engelleyerek kiri diğer yaşam formları için daha yaşanabilir hale getirir. Meckenstock, Nielsen ve diğerleri onları, bakterilerin muhtemelen hidrojen sülfürü parçalamak için kullandıkları oksijeni serbest bırakan deniz otu ve diğer su bitkilerinin kökleri üzerinde veya yakınında buldular. Bu da bitkileri zehirli gazdan korur. Meckenstock, ortaklığın "su bitkileri için çok karakteristik görünüyor" dedi.

Stony Brook Üniversitesi'nde deniz biyojeokimyacısı olan Robert Aller, bakterilerin oksijenli suyun çamura girmesine izin veren yuvalar oluşturan solucanlar da dahil olmak üzere birçok sualtı omurgasızına da yardımcı olabileceğine inanıyor. Muhtemelen elektronları depolamak için bu oksijeni kullanabilmeleri için solucan tüplerin kenarlarına yapışan kablo bakterilerini buldu. Buna karşılık, bu solucanlar toksik hidrojen sülfürden korunur. Science Advances'teki Temmuz 2019 makalesinde bağlantıları açıklayan Aller, "Bakteriler [yuvayı] daha yaşanabilir kılıyor" diyor.

Maryland Üniversitesi Çevre Bilimleri Merkezi'nde ekolojist olan Saira Malkin, mikropların kirin özelliklerini de değiştirdiğini söylüyor. "Özellikle etkililer … ekosistem mühendisleri." Kablo bakterileri “orman yangını gibi büyür” diyor; Gelgit istiridye resiflerinde, buldu, Bir santimetre küp çamur, parçacıkları yerinde tutan ve muhtemelen tortuyu deniz organizmalarına karşı daha dirençli hale getiren 2.859 metre kablo içerebilir.

Malkin, bakterilerin ayrıca kirin kimyasını değiştirerek yüzeye daha yakın katmanları daha alkali ve daha derin katmanları daha asidik hale getirdiğini buldu. Bu tür pH gradyanları, arsenik, manganez ve demir ile ilişkili olanlar da dahil olmak üzere "sayısız jeokimyasal döngüleri" etkileyebilir ve diğer mikroplar için fırsatlar yaratabileceğini söyledi.

Araştırmacılar, gezegenin geniş alanları çamurla kaplı olduğundan, kablolar ve nanotellerle ilişkili bakterilerin küresel iklim üzerinde bir etkisi olabileceğini söylüyorlar. Örneğin nanotel bakterileri, ölü diatomlar gibi organik maddelerden elektron alabilir ve daha sonra bunları güçlü bir sera gazı olan metan üreten diğer bakterilere aktarabilir. Çeşitli koşullar altında kablo bakterileri metan üretimini azaltabilir.

Malkin, “Önümüzdeki yıllarda bu mikropların biyosfer için öneminin geniş çapta kabul edildiğini göreceğiz” diyor. Nielsen, hidrojen sülfürün Aarhus çamurundan gizemli bir şekilde kaybolduğunu fark etmesinden on yıldan biraz daha uzun bir süre sonra şöyle diyor: "Burada neyle uğraştığımızı düşünmek baş döndürücü."

Sıradaki: mikrobiyal kablolarla çalışan bir telefon mu?

Elektrik mikroplarının öncüleri bu bakterileri nasıl kullanacaklarını çabucak düşündüler. Aarhus Üniversitesi'nden mikrobiyolog Lars Peter Nielsen, "Artık evrimin elektrik kabloları oluşturabildiğini bildiğimize göre, onları kullanmasaydık çok yazık olurdu" diyor.

Olası bir uygulama, kirleticilerin tespiti ve kontrolüdür. Kablo mikropları, petrol gibi organik bileşiklerin varlığında gelişiyor gibi görünüyor ve Nielsen ve ekibi, kablo bakterilerinin bolluğunun akiferlerde keşfedilmemiş kirliliğin varlığına işaret etme olasılığını test ediyor. Bakteriler yağı doğrudan bozmazlar, ancak diğer yağlı bakteriler tarafından üretilen sülfürü oksitleyebilirler. Ayrıca temizlemeye de yardımcı olabilirler; Su Araştırması dergisinde Ocak ayında bildirilen bir başka araştırma grubu, kablo bakterileri tarafından kolonize edildiğinde yağış ham petrol kirliliğinden daha hızlı iyileşir. İspanya'da üçüncü bir ekip, nanotel bakterilerinin kirli sulak alanların temizliğini hızlandırıp hızlandıramayacağını araştırıyor. Nanotel tabanlı bakteriler elektrik olmadan önce bile, nükleer atıkları ve benzen veya naftalin gibi aromatik hidrokarbonlarla kirlenmiş akiferleri temizleme vaadini gösterdiler.

Elektrik bakterileri de yeni teknolojilere yol açabilir. Amherst'teki Massachusetts Üniversitesi'nden (UMass) bir mikrobiyolog olan Derek Lovley'e göre, nanotellerini değiştirmek için genetik olarak modifiye edilebilirler ve daha sonra hassas giyilebilir sensörlerin omurgasını oluşturmak için kesilebilirler. "Nanotelleri tasarlayabilir ve onları özel olarak ilgilenilen bileşikleri bağlamak için uyarlayabiliriz." Örneğin, Nano Research'ün 11 Mayıs tarihli Lovely sayısında, UMass mühendisi Jun Yao ve meslektaşları, tarımsal, endüstriyel, çevresel ve biyomedikal uygulamalar için gereken konsantrasyonlarda amonyağı algılayan nanotel tabanlı bir sensör tanımladılar.

Bir film olarak oluşturulan nanoteller, havadaki nemden elektrik üretebilir. Araştırmacılar, filmin üst ve alt kenarları arasında bir nem gradyanı oluştuğunda filmin enerji ürettiğine inanıyor. (Üst kenar neme karşı daha hassastır.) Gradyan nedeniyle suyun hidrojen ve oksijen atomları birbirinden ayrıldığından, yük oluşur ve elektronlar akar. Yao ve ekibi, 17 Şubat'ta Nature'da böyle bir filmin ışık yayan bir diyotu yakmak için yeterli enerji oluşturabileceğini ve birbirine bağlanan bu tür 17 cihazın bir cep telefonuna güç sağlayabileceğini bildirdi. Tsinghua Üniversitesi'nde malzeme bilimcisi olan Qu Lianti, yaklaşımın “yenilenebilir, temiz ve ucuz enerji üretmek için devrim niteliğinde bir teknoloji” olduğunu söylüyor. (Diğerleri daha temkinli, geçmişte grafen veya polimerler kullanarak enerjiyi nemden çıkarmaya yönelik girişimlerin başarısız olduğuna dikkat çekiyor.)

Nihayetinde araştırmacılar, seçici mikroplarla uğraşmak zorunda kalmadan bakterilerin elektriksel yeteneklerinden yararlanmayı umuyorlar. Örneğin Catch, ortak laboratuvar ve endüstriyel bakteri Escherichia coli'yi nanoteller yapmaya ikna etti. Bu, araştırmacıların yapıları seri üretmelerini ve pratik uygulamalarını incelemelerini kolaylaştırmalıdır.