Новое исследование Вашингтонского университета в Сент-Луисе объясняет клеточные процессы, которые позволяют любящему солнце микробу «поедать» электричество, передавая электроны, чтобы фиксировать углекислый газ для подпитки своего роста.
Под руководством Арпиты Бозе, доцента кафедры биологии в области искусств и наук, и Майкла Гузмана, кандидата наук в ее лаборатории, команда Вашингтонского университета показала, как встречающийся в природе штамм Rhodopseudomonas palustris поглощает электроны из проводящих веществ, таких как оксиды металлов или ржавчина. Работа описана в статье от 22 марта в журнале Nature Communications.
Исследование основано на предыдущем открытии Бозе, что R. palustris TIE-1 может потреблять электроны от представителей ржавчины, таких как уравновешенные электроды, процесс, называемый внеклеточным поглощением электронов. R. palustris является фототрофом, что означает, что он использует энергию света для осуществления определенных метаболических процессов. Новое исследование объясняет клеточные стоки, куда этот микроб сбрасывает электроны, которые он ест от электричества.
«Это впервые ясно показывает, как эта активность - способность организма потреблять электричество - связана с фиксацией углекислого газа», - сказал Боуз, сотрудник Packard, изучающий микробный метаболизм и его влияние на биогеохимический цикл..
Эти механистические знания могут помочь в усилиях по использованию естественной способности микроба к устойчивому хранению энергии или другим биоэнергетическим приложениям - потенциал, который привлек внимание Министерства энергетики и Министерства обороны.
«Штамм R. palustris можно найти в диких и экзотических местах, таких как ржавый мост в Вудс-Хоул, штат Массачусетс, откуда был выделен TIE-1», - сказал Бозе. «На самом деле, вы можете найти эти организмы повсюду. Это говорит о том, что внеклеточное поглощение электронов может быть очень распространенным явлением».
Гузман добавил: «Основная проблема заключается в том, что это анаэроб, поэтому вам нужно выращивать его в среде, где нет кислорода, чтобы он мог собирать световую энергию. Но обратная сторона этого заключается в том, что этот организм справляется с этими проблемами с большой гибкостью, которой нет у многих других организмов».
В своей новой статье исследователи показали, что электроны от электричества входят в белки в мембране, которые важны для фотосинтеза. Удивительно, но когда они убрали способность микроба фиксировать углекислый газ, они обнаружили 90-процентное снижение его способности потреблять электричество.
«С помощью этой системы действительно хотят зафиксировать углекислый газ», - сказал Бозе. «Если убрать эту врожденную способность, она вообще не захочет поглощать электроны».
Она сказала, что реакция в чем-то похожа на перезаряжаемую батарейку.
«Микроб использует электричество для зарядки своего окислительно-восстановительного пула, накапливая электроны и делая его сильно восстановленным», - сказал Бозе. «Чтобы разрядить его, клетка восстанавливает углекислый газ. Энергия для всего этого поступает от солнечного света. Весь процесс повторяется, позволяя клетке создавать биомолекулы, используя только электричество, углекислый газ и солнечный свет».
Команда из Вашингтонского университета преодолела ряд технических препятствий, чтобы завершить это исследование. Марк Мичем из Инженерной школы МакКелви помог спроектировать и изготовить микрожидкостные устройства, которые позволили исследователям отточить деятельность, происходящую в клетках, когда бактерии питаются от источников электричества. Команда также полагалась на поддержку со стороны сотрудников, включая Дэвида Файка из отдела наук о Земле и планетах, который помог Бозе и Гусману использовать масс-спектрометрию вторичных ионов, чтобы определить, как микроб использует углекислый газ.
Новое исследование отвечает на вопросы фундаментальной науки и открывает множество возможностей для будущих приложений биоэнергетики.
«Людям давно известно, что микробы могут взаимодействовать с аналогами электродов в окружающей среде - то есть минералами, которые также заряжены», - сказал Гусман. «Но никто на самом деле не понимал, как этот процесс может также осуществляться фотоавтотрофами, такими как эти типы организмов, которые фиксируют свой собственный углерод и используют свет для производства энергии. Это исследование заполняет плохо изученный пробел в этой области».
Лаборатория Бозе работает над использованием этих микробов для производства биопластика и биотоплива.
«Мы надеемся, что эта способность сочетать электричество и свет для сокращения выбросов углекислого газа может быть использована для поиска устойчивых решений энергетического кризиса», - сказал Бозе.