Az Eisenatmer NZZ
A mikrobák ugyanúgy „lélegezhetik” a fémeket, mint mi emberek oxigénnel. Ez lehetővé teszi a szennyezett talaj és talajvíz tisztítását. A kutatók között vita alakult ki a mögöttes mechanizmusokról.
Amikor Derek Lovley mikrobiológus 1987-ben felfedezte a Geobacter baktériumot a Washington DC közelében található Potomac folyó iszapjában, nem sejtette rendkívüli tulajdonságait. Hamar kiderült, hogy a Geobacter az anyagcseréjéhez szükséges energiát a vas kémiai redukciójából nyeri: A baktérium szén tartalmú táplálékából elektronokat visz át a talajban és a talajvízben lévő vas-oxidokba. A folyamat hasonló az emberi sejtlégzéshez. Itt keletkezik energia egy biokémiai folyamat során, az elektronok átkerülnek a belélegzett oxigénbe. A Geobacterben azonban a vas helyettesíti az oxigént a légzési láncban - ez újdonság a biológiában.
A mikrobák ugyanúgy „lélegezhetik” a fémeket, mint mi emberek oxigénnel. Ez lehetővé teszi a szennyezett talaj és talajvíz tisztítását. A kutatók között vita alakult ki a mögöttes mechanizmusokról.
Amikor Derek Lovley mikrobiológus 1987-ben felfedezte a Geobacter baktériumot a Washington DC közelében található Potomac folyó iszapjában, fogalma sem volt annak rendkívüli tulajdonságairól. Hamar kiderült, hogy a Geobacter az anyagcseréjéhez szükséges energiát a vas kémiai redukciójából nyeri: A baktérium szén tartalmú táplálékából elektronokat visz át a talajban és a talajvízben lévő vas-oxidokba. A folyamat hasonló az emberi sejtlégzéshez. Itt keletkezik energia egy biokémiai folyamat során, az elektronok átkerülnek a belélegzett oxigénbe. A Geobacterben azonban a vas helyettesíti az oxigént a légzési láncban - ez újdonság a biológiában.
Tisztító erő
A következő években más Geobacter fajokat vizsgáltak, és bebizonyosodott, hogy az organizmusok nemcsak vasat, hanem más fémeket is felhasználhatnak anyagcseréjükhöz. A geobaktérium-szulfurenzukének elektronokat adhatnak a kén, a Geobacter uraniireducenseket a radioaktív urán. Ez megnyitotta a lehetőséget a baktériumok felhasználására például a használaton kívüli uránbányák talajának és talajvízének megtisztítására. A geobaktériumok két-két elektronot visznek át a talajban előforduló uránionokra, csökkentve azokat urán-dioxiddá. Az uránionokkal ellentétben ez alig oldódik vízben. Szilárd anyagként csapódik le, így sokkal nehezebben oszlik el a talajvízben, és nem válik olyan gyorsan veszélyessé. Az ilyen baktériumokat alkalmazó tisztítási folyamatokat a szakemberek bioremediációnak nevezik.
A kutatók már több éve tesztelik a Geobacter tisztító erejét a coloradói Pacific Northwest National Laboratory egyik tesztterületén. A hidegháború idején a lerakódásból származó uránt nukleáris fegyverek gyártására használták fel a hadsereg számára. Az üzem 1972-ben bezárt, de a radioaktív anyag ma is jelen van a talajvízben. A Geobacter segítségével 50 napon belül 90 százalékkal csökkent a víz urántartalma. Mivel a baktériumok egyébként is a legtöbb talajban előfordulnak, elegendő volt táplálékkal növelni a számukat. A kutatók takarmányként ecetet juttattak a talajba.
Multifunkcionális vezetékek
Sokáig nem volt világos, hogy a mikrobák pontosan hogyan továbbítják az elektronokat a fémekbe. 2005-ben azonban Lovley kutatócsoportja kimutatta, hogy a szálszerű fehérjefolyamatok, amelyek pili néven ismertek, részt vesznek a fémek redukciójában.¹ A kutatók a Geobacter pilijeit „nanohuzaloknak” nevezték - néhány nanométer átmérőjű huzaloknak. Hosszuk azonban több mikrométer lehet. Az ilyen elektromosan vezető fehérjék korábban nem voltak ismertek.
A kutatók úgy vélik, hogy a nanohuzalok nagy hatótávolsága jelentős metabolikus előnyökkel jár a baktériumoknak. Az egysejtű organizmusok hasonló módon használhatnák a pilit, mint a búvár a sznorkelt: A szó szoros értelmében érintkeznek a távol lévő fémrészecskékkel. A pili a légzés „kiszervezésének” eszközeként is felfogható. A légzési lánc utolsó lépése, az elektronok átvezetése egy fémes elektron-akceptorba a baktériumon kívül történik. Ez egy olyan előny, amelyet nem szabad lebecsülni, mert a létfontosságú fémrészecskék mérete akkora, mint egy baktériumé. A baktériumok nem képesek olyan könnyen felszívni a részecskéket.
Az urán belélegzése esetén a sejttesten kívüli elektrontranszfer közvetlenül biztosítja a mikrobák túlélését is, amint azt a Michigan State University kutatói nemrégiben kimutatták. Úgy módosították a Geobacter sejteket, hogy azok ne képezzenek pili-ket. A baktériumok ezután csökkentették az uránt a sejtekben, ami elpusztulásukhoz vezetett
Tehát a pili használata hihetőnek tűnik. És az is világos, hogy a pili valóban áramot vezet. A pontos vezetési mechanizmus azonban még mindig nem ismert, bár egy friss cikk jelent meg, amely szerint Lovley és munkatársai azt mutatják, hogy a nanohuzalok a fémhez hasonló módon vezetik az elektromosságot. egyetlen pili. Az eredmények fémvezetést jeleznek, mivel ez fémből készült szintetikus nanostruktúrákban vagy rendezetlen fémekben figyelhető meg.
Szkeptikus kollégák
A témával foglalkozó kis kutatói közösség azonban továbbra is szkeptikus. Például Yuri Gorby: Lovley egykori posztdoktora nemrég kezdett dolgozni a Dél-Kaliforniai Egyetemen, és erősen kételkedik abban, hogy a pili valóban fémekként jellemezhető. Már kiesik Lovley-val. A Lovley alkalmazottjaként kitalálta a „nanohuzalok” kifejezést és fogalmat - mondja Gorby. De az erkölcsileg megkérdőjelezhető magatartás biztosította, hogy a hírnév most másoké legyen.
Ma Gorby különféle egyéb baktériumtörzseken is dolgozik, amelyekről feltételezi, hogy vezetőképesek. 2006-ban a Shewanella nevű szervezet számára bemutatott ilyen nanohuzalokat. ⁴ A Geobacterhez hasonlóan Shewanella a vas lélegzését használja anyagcseréjéhez. Gorby arra gyanakszik, hogy nagyon sok - szinte az összes mikroorganizmus - képes vezetőképes fehérjeszálakat alkotni. Véleménye szerint a mikroorganizmusokat fajhatárokon átívelő hálózatok sok folyamatban központi szerepet játszhatnak: a talajban bekövetkező anyagciklusoktól kezdve a baktériumok által okozott betegségekig. Úgy véli továbbá, hogy lehetséges, hogy a mikrobák nanohuzalokból álló hálózatokon keresztül „kommunikálnak”, és az ideghálózatokhoz hasonló módon cserélnek információt.
Új kutatási terület
Gorby és csapata jelenleg megpróbálja jellemezni a baktériumok „konduktomáját” - azokat a géneket, amelyek feltehetően szükségesek a pili vezetőképességéhez. Ezzel Gorby segíteni akarja az elektro-mikrobiológia új kutatási területét az áttörésben. Lovley azonban kétségbe vonja Gorby ötleteit. Ragaszkodik ahhoz, hogy az elektromosan vezető pilit eddig csak a Geobacter esetében észlelték, és elutasítja a Shewanella nanohuzalokkal kapcsolatos publikált munkáját. Még Jim Fredrickson, a felelős kutatócsoport akkori vezetője is eltávolodott a Shewanella eredményeitől - állítja Lovley.
Fredrickson erőteljesen ellentmond ennek: „Akkor még nem tértem el eredményeinktől. Megkérdőjelezem az értelmezést, ez két teljesen különböző dolog. " Az anyag elektromos vezetőképességének bizonyítása nem elegendő annak megállapításához, hogy az elektronok mikrobiálisan transzferek zajlanak. Egy másik, eddig ismeretlen mechanizmus vezetőképességet okozhat.
Nagyon sok mozgás zajlik ezen a vitatott kutatási területen; kevés tűnik biztosnak vagy lehetetlennek eddig. Mindenesetre a baktériumokban történő villamos energia vezetésének megértésének nemcsak az akadémiai elefántcsonttorony bővítését kell szolgálnia, egyetértenek Gorby és Lovley. Bioremediációban való felhasználásra a jövőben fel lehet használni a villamos energia előállítását a metánt fogyasztó mikrobákból és a bioelektronikai komponensek, azaz a baktériumokból készült nanoszálakat használó szenzorok vagy orvosi elemző eszközök kifejlesztését.
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).