Бактерии получают энергию через нанопровода

Создавая материалы с необычными свойствами, ученые нередко заимствуют идеи у самой природы. Последнее исследование, результаты которого появились в статье Electrical transport along bacterial nanowires from Shewanella oneidensis MR-1, дают ученым возможность создать новый биомиметик.

ОВР по проводам

В ходе многочисленных биохимических реакций реагенты изменяют степень окисления. То есть одни участники биохимических процессов окисляются, другие – восстанавливаются. Окислительно-восстановительные реакции протекают за счет переноса электронов.

В процессе эволюции различные клетки и организмы приобрели свои собственные механизмы и способы переноса заряженных частиц. Энзимы прокариотов (безъядерных организмов) получают электроны через посредника. В качестве промежуточного акцептора-переносчика электронов бактерии используют растворенные нитраты, сульфаты и кислород. Но некоторые прокариоты (в частности, металлвосстанавливающие бактерии) в качестве акцептора электронов используют Fe(III)- и Mn(IV)-содержащие минералы. Понятно, что из-за плохой растворимости соединений бактериям пришлось выработать приспособления, которые позволяют переносить электроны. Исследования, проведенные независимыми группами ученых в 2005-2006 годах, позволяют предположить что металлвосстанавливающие бактерии получают электроны через «нанопровода», которые, подобно волосам, покрывают поверхность бактериальной клетки.

Впервые «нанопровода» были обнаружены в эксперименте с Geobacter. В последующих экспериментах ученые обнаружили нанощетину на поверхности многих бактерий.

Ученые под руководством Мохамеда Эль-Наггара (Mohamed Y. El-Naggar) из Университета Южной Калифорнии (University of Southern California) попытались понять, на самом ли деле «нанопровода» переносят электроны.

Волосатая бактерия

Исследователи провели эксперимент на почвенной бактерии Shewanella oneidensis MR-1, которая восстанавливает металлы.

В первом эксперименте ученые закрепили бактериальные нанопровода на кремниевом субстрате и пропустили через них ток. Лампочка, конечно, не загорелась, но ученые зафиксировали ток электронов между электродами. Биологи «разрезали» бактериальные нанопровда и снова попробовали пропустить электрический ток. Как и следовало ожидать, перенос электронов прекратился.

В следующем эксперименте ученые вырастили несколько типов мутантных бактеий, которые не способны синтезировать строительный материал бактериальных «нанопроводов» -- цитохромы. Исследователи проверили электропроводимость «нанопроводов» мутантной бактерии и выяснили, что безцитохромная щетина не переносит электроны. Однако это не означает, что цитохромы – и есть та самая «проволока», из которой сплетены бактериальные нанопровода. Переносчиками электронов могут стать отдельные аминокислоты или небольшие последовательности кислот.

«Физики, химики и биологи должны заинтересоваться полученными результатами и продолжить начатую работу. Думаем, что бактериальные «нанопровода» и «проволоку» из которой они сплетены, можно использовать в биотехнологиях», -- заключают авторы статьи Electrical transport along bacterial nanowires from Shewanella oneidensis MR-1, опубликованной в журнале PNAS.