К ч. 8. Бактерии вырабатывают электричество

Кишечные бактерии вырабатывают электричество

Электрические бактерии — это формы бактерий, которые напрямую потребляют и выделяют электроны с разным энергетическим потенциалом, не нуждаясь в метаболизме каких-либо сахаров или других питательных веществ.

Они хорошо приспособлены к среде с низким содержанием кислорода. Большинству форм жизни требуется кислородная среда для высвобождения избытка электронов, которые образуются при метаболизме сахаров.

В среде с низким содержанием кислорода этот способ недоступен, и электрические бактерии «дышат» металлами, что приводит к поглощению и выделению электрических зарядов.

Изучая бактериальные культуры, способные вырабатывать электричество, ученые обнаружили самый близкий источник электроэнергии — человеческий кишечник.

Приведены результаты исследования 2018 года и более поздних.


ПОНЯТИЙНЫЙ КОНТЕКСТ

Listeria monocytogenes — грамположительная бактерия, кишечный клеточный паразит, могущий стать причиной выкидыша, известный, в основном, как возбудитель опасной диареи, вызывает одноимённое инфекционное заболевание — листериоз.

Широко распространена в природе и относится к патогенам, попадающим в организм человека с пищевыми продуктами.

Подвержены листериозу:
- новорождённые,
- беременные женщины,
- пожилые,
- люди с ослабленным иммунитетом.

Среды:
- анаэробные — кишечник, вино- и сыродельные чаны, кислые шахтные воды;
- аэробные — со свободным кислородом.

Аэробы — организмы, которым для жизнедеятельности и размножения необходим свободный кислород.

В отличие от анаэробов у аэробов кислород участвует в процессе выработки необходимой им энергии.

К аэробам относятся почти все животные и растения, а также многие грибы и микроорганизмы.

Экстрацеллюлярная трансферная цепь — каскада химических реакций для переноса электронов из клетки в минерал.

Флавин — один из производных витамина В2.

Акцептор электронов — химическое вещество, которое принимает электроны, передаваемые ему от другого соединения.

Лактобациллы — молочнокислые бактерии, играющие ключевую роль в производстве сыра, кефира и квашеной капусты.


ВВОДНАЯ

Специалисты из Калифорнийского университета в Беркли установили, что вид Listeria monocytogenes генерирует электричество способом, который:
- принципиально отличается от ранее известного механизма электрогенеза у других бактерий;
- сотни других бактериальных культур также используют аналогичный, до сих пор не бывший известным процесс.

Многие из этих «электрических» бактерий являются:
- частью кишечного микробиома человека;
- патогенами.

Этим и проведёнными в другое время исследованиями определён пополняемый список бактериальных возбудителей, вырабатывающих электричество:
- Shewanella — производит белковые нанопроволоки/нанопровода,
- Geobacter — производит белковые нанопроволоки/нанопровода из пилинов,
- Methanobacterium palustre,
- Метанококк марипалудис,
- микобактерии smegmatis,
- модифицированная кишечная палочка (с генами Geobacter нанопроводов),
- коллекция из 30 разновидностей бактерий из морских отложений,
- Clostridium perfringens — гангрены,
- Enterococcus faecalis — госпитальные инфекции,
- некоторые болезнетворные стрептококки.

К прочим электрогенным культурам относятся некоторые:
- лактобациллы,
- участники ферментных процессов,
- пробиотики.

Интересной особенностью нанопроволоки/нанопроводов является то, что в бактериальных колониях, так называемых биопленках, о которых я писал в статье "Память и коллективный интеллект бактерий", одни бактерии с помощью этих нитей могут прорастать в другие и использовать их, если не имеют прямого доступа к кислороду или металлам.

Таким образом бактерии в колонии могут образовывать единую сеть, которая позволяет им согласованно распределять ресурсы между всеми обитателями биопленки.

Сотрудник Калифорнийского университета в Беркли Дэн Портной, профессор молекулярной и клеточной биологии, а также растительной микробиологии, сказал:
«То, что столь многие бактерии, которые взаимодействуют с человеком, являются патогенами, пробиотиками, частью микробиома или ферментативным ингредиентом в пищевой промышленности, вдобавок еще и вырабатывают электричество, – этот факт до сих пор был совершенно упущен.

Это должно бы многое поведать нам о том, как одни такие бактерии инфицируют нас, а другие, наоборот, помогают сохранять кишечник здоровым».

Соавтор его работы Сэм Лайт сказал:
«Это огромная часть физиологии бактерий, о существовании которой люди даже не догадывались. И этой частью в перспективе можно будет манипулировать».

Бактерии производят электричество по тем же причинам, которые заставляют нас дышать кислородом, чтобы:
- удалить остаточные электроны, образующиеся в ходе метаболизма,
- поддержать энергобаланс.

В сравнении с:
- животными и растениями, — связывающих свои электроны с кислородом внутри митохондрий в каждой клетке;
- бактерии в анаэробных средах — должны искать иной акцептор электронов. В геологических средах эту роль играют минералы, — железная или марганцевая руда, и в некотором смысле эти бактерии дышат ими.

Перенос электронов из клетки в минерал требует каскада химических реакций (экстрацеллюлярная трансферная цепь), в результате чего создается электрический ток.

Система экстрацеллюлярного, внеклеточного переноса электронов оказалась проще ранее известной цепи, и бактериями она используется, вероятно, в случае необходимости, – возможно, в условиях недостатка кислорода.

Эта система переноса обнаружена у микроорганизмов с 1-слойной клеточной мембраной (классифицируемых как грамположительные бактерии), которые живут в средах, богатых флавином.

По итогу:
- через 1-слойную клеточную мембрану электроны передавать проще, чем через 2-хслойную и
- наличие возможности воспользоваться молекулами флавина для того, чтобы избавиться от лишних электронов,
по-видимому, позволили найти этим бактериям способ выживания в средах:
- и аэробных,
- и анаэробных.

Бактерии испускают электрический ток силой до 500 микроампер, что производит столько же электричества (каждой клеткой примерно 100 000 электронов в секунду), сколько и известные ранее электрогенные бактерии.

Исследователи задаются вопросами о том, почему у этих бактерий развился этот уникальный механизм, и заинтригованы наличием этой системы в лактобациллах.


Источники:

Журнал «Nature».

Википедия