Мир бактерий изобилует необычными талантами, среди которых умение производить электричество. В дикой природе «электрогенные» бактерии генерируют ток как часть своего метаболизма, и теперь исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) нашли способ передать эту способность неэлектрогенным бактериям. Этот метод может иметь применение для устойчивого производства электроэнергии и очистки сточных вод, сообщают исследователи 9 февраля в журнале Chem.
«Идея заключается в том, что если мы просто закроем крышку резервуара для очистки сточных вод, а затем дадим бактериям электрод, они смогут производить электричество при очистке воды», - говорит соавтор Зак Ренгерт, химик. аспирант UCSB. «И того количества электроэнергии, которое они производят, никогда не хватит для питания чего-то очень большого, но оно может компенсировать затраты на очистку воды».
Бактерии Shewanella oneidensis MR-1, вдохновившие на это исследование, живут в бескислородной среде и могут дышать металлическими минералами и электродами - вместо воздуха - через токопроводящие белки в своих клеточных мембранах. Однако большинство видов бактерий не имеют таких белков и поэтому естественным образом не производят ток. Вдохновившись пронизывающими мембрану проводящими белками S. oneidensis, команда ученых выдвинула гипотезу, что с правильным типом биосовместимой молекулярной добавки этот электрогенез может быть передан бактериям, которые не эволюционировали для этого.
Исследователи под руководством старшего автора Гильермо Базана из UCSB построили молекулу под названием DFSO+, ядро которой содержит атом железа. Чтобы добавить DFSO+ к бактериям, исследователи растворили небольшое количество порошка цвета ржавчины в воде и добавили этот раствор к бактериям. В течение нескольких минут синтетическая молекула проникла в клеточные мембраны бактерий и начала проводить ток через железное ядро, открывая бактериям новый путь для перемещения электронов изнутри клетки наружу.
Поскольку форма молекулы DFSO+ отражает структуру клеточных мембран, она может быстро проскальзывать в мембраны и комфортно оставаться там в течение нескольких недель. Исследователи говорят, что этот подход может нуждаться в некоторой настройке, прежде чем он будет применяться к долгосрочному производству электроэнергии, но это обнадеживающий первоначальный вывод.
Этот химический подход к изменению возможностей бактерий, скорее всего, будет дешевле, чем бактерии, созданные с помощью генной инженерии для выполнения той же работы.«Это совершенно другая стратегия для микробной генерации электрической энергии», - говорит другой соавтор, Нейт Кирххофер (@natekirchhofer), бывший аспирант Калифорнийского университета в Сан-Франциско, а ныне научный сотрудник в исследовательском центре Asylum Research в Санта-Барбаре, Калифорния. «Раньше мы создавали эти устройства и ограничивались их оптимизацией путем изменения материалов и архитектуры реактора или использования методов генной инженерии».
Исследователи называют молекулу DFSO+ «белковым протезом», потому что это небелковое химическое вещество, выполняющее работу белка. «Это своего рода аналог протеза, когда вы используете пластиковую конечность, которая на самом деле не сделана из чьего-то тела», - говорит Ренгерт.
Понимание того, как электрогенные бактерии потребляют органическое топливо и используют свои метаболические процессы для выработки электрического тока, может привести к созданию более эффективной биологической технологии выработки электроэнергии. «Полезно иметь четко определенную, хорошо изученную молекулу, которую мы можем исследовать», - говорит Кирххофер.«Мы знаем, как он взаимодействует с бактериями, поэтому он дает нам очень точный электрохимический контроль над бактериями. Хотя эта молекула может быть не лучшей из когда-либо существовавших, это первое поколение молекул такого типа».