Исследование специалистов из Университета Райса под руководством биолога Кэролайн Айо-Франклин показало, как микроорганизмы, живущие в среде без доступа кислорода, например на дне океана или в кишечнике человека, избавляются от избытка электронов, «выдыхая» их наружу. Это открытие не только помогает понять один из самых загадочных механизмов обмена веществ у бактерий, но и может лечь в основу новых биоэнергетических технологий.
Большинство живых существ, и человек в том числе, используют кислород в качестве конечного акцептора электронов — то есть, вещества, которое принимает электроны в цепочке реакций, высвобождающих энергию из пищи. Но бактерии, которые появились задолго до появления кислорода в атмосфере, эволюционировали по-другому. Исследователи обнаружили, что некоторые из них используют особые соединения — нафтохиноны — в качестве «молекулярных курьеров», которые переносят электроны из клетки на внешние поверхности. Этот процесс получил название внеклеточного дыхания, и по своей сути он напоминает работу батарейки, в которой электрический ток течет наружу. Таким образом жизнедеятельность бактерий обеспечивается даже без кислорода.
До недавнего времени механизм этого необычного дыхания оставался «черным ящиком» — ученые наблюдали явление, но не понимали, как оно работает. Теперь исследовательская группа из Университета Райса совместно с лабораторией Пальссона из Калифорнийского университета в Сан-Диего сумела при помощи компьютерного моделирования воссоздать условия, в которых бактерии существуют без доступа к воздуху, но при этом могут контактировать с поверхностями, проводящими электричество. Модели показали, что микроорганизмы действительно могут поддерживать свою жизнедеятельность, направляя избыток электронов на внешние проводники. Эксперименты в лаборатории подтвердили: при наличии подходящей поверхности бактерии не просто выживали, но даже продолжали расти, активно генерируя электрический ток, то есть обеспечивая своего рода дыхание, но через металл.
Это открытие раскрывает новую, ранее недооцененную стратегию выживания микроорганизмов и может быть использовано в самых разных сферах. К примеру, в ходе очистки сточных вод и в биопроизводстве электроны, которые вырабатываются в ходе метаболизма, нередко мешают эффективной работе систем. Бактерии, генерирующие электричество, способны устранить возникающий дисбаланс и поддерживать стабильную работу процессов. Кроме того, технология может лечь в основу создания биоэлектронных сенсоров, которые смогут работать в бескислородной среде — например, в медицине, в устройствах мониторинга загрязнения воды или при изучении внеземных форм жизни.
Как отметила Кэролайн Айо-Франклин, это исследование открывает перспективы создания устойчивых биотехнологий, в которых микроорганизмы будут выполнять ту же роль, что и растения в фотосинтезе, — преобразовывать углекислый газ в полезные для нас вещества с помощью возобновляемой энергии. Бактерии, «выдыхающие» электричество, могут стать ключевыми участниками в разработке экологичных и «умных» технологий будущего.
Тем временем ученые выяснили, как патогенные бактерии принимают решение о нападении на организм хозяина.
