Eisenatmer NZZ

Mikróby môžu „dýchať“ kovy rovnako ako my ľudia s kyslíkom. To umožňuje čistenie kontaminovanej pôdy a podzemných vôd. Medzi výskumníkmi sa strhol spor o základných mechanizmoch.

Keď v roku 1987 objavil mikrobiológ Derek Lovley baktériu Geobacter v bahne rieky Potomac neďaleko Washingtonu DC, vôbec netušil o jej mimoriadnych vlastnostiach. Čoskoro sa však ukázalo, že Geobacter energiu pre svoj metabolizmus získava chemickou redukciou železa: Baktéria prenáša elektróny zo svojej uhlíkatej potravy na oxid železitý v pôde a v podzemných vodách. Proces je podobný ako pri ľudskom bunkovom dýchaní. Toto je miesto, kde sa generuje energia v biochemickom procese, pričom elektróny sa prenášajú na kyslík, ktorý dýchame. V prípade Geobacteru však železo nahrádza kyslík v dýchacom reťazci - čo je v biológii novinka.

Mikróby môžu „dýchať“ kovy rovnako ako my ľudia s kyslíkom. To umožňuje čistenie kontaminovanej pôdy a podzemných vôd. Medzi výskumníkmi sa strhol spor o základných mechanizmoch.

Čistiaca sila

V nasledujúcich rokoch boli skúmané ďalšie druhy Geobacter a bolo preukázané, že organizmy môžu na svoj metabolizmus využívať nielen železo, ale aj iné kovy. Geobacter sulfurreducens môže darovať elektróny síre, Geobacter uraniireducens rádioaktívnemu uránu. To otvorilo možnosť použitia baktérií na čistenie napríklad pôdy a podzemných vôd nepoužívaných uránových baní. Geobacter prenáša každý dva elektróny na ióny uránu, ktoré sa vyskytujú v pôde, a redukuje ich na oxid uraničitý. Na rozdiel od uránových iónov je táto ťažko rozpustná vo vode. Zráža sa ako tuhá látka, takže je oveľa ťažšie distribuovať ju do podzemných vôd a nestáva sa z nej tak rýchlo nebezpečenstvo. Takéto čistiace procesy využívajúce baktérie sú odborníkmi známe ako bioremediacia.

Vedci už niekoľko rokov testujú čistiacu silu Geobactera na testovacom mieste v tichomorskom severozápadnom národnom laboratóriu v Colorade. Počas studenej vojny sa urán z náleziska používal na výrobu jadrových zbraní pre armádu. Závod bol uzavretý v roku 1972, ale rádioaktívny materiál sa v podzemnej vode nachádza dodnes. Pomocou Geobacter sa obsah uránu vo vode znížil o 90 percent do 50 dní. Pretože sa baktérie vyskytujú vo väčšine pôd aj tak, stačilo zvýšiť ich počet ich kŕmením. Vedci injikovali do pôdy ocot ako krmivo.

Multifunkčné drôty

Dlho nebolo jasné, ako mikróby prenášajú elektróny na kovy. V roku 2005 však Lovleyov výskumný tím ukázal, že vláknité proteínové procesy, známe ako pili, sa podieľajú na redukcii kovov.¹ Vedci nazvali pili z Geobacter „nanodrôty“ - drôty, ktoré majú priemer niekoľko nanometrov. Ich dĺžka však môže byť niekoľko mikrometrov. Takéto elektricky vodivé proteíny neboli doteraz známe.

Vedci sa domnievajú, že dlhý rozsah nanovodov ponúka baktériám niektoré významné metabolické výhody. Jednobunkové organizmy mohli použiť pili podobným spôsobom, ako potápač používa šnorchel: Doslova nadväzujú kontakt s kovovými časticami, ktoré sú ďaleko. Na pili sa dá pozerať aj ako na prostriedok „outsourcingu“ dýchania. Posledný krok v dýchacom reťazci, prenos elektrónov na kovový akceptor elektrónov, sa uskutočňuje mimo baktérie. To je výhoda, ktorú netreba podceňovať, pretože veľkosť životne dôležitých kovových častíc je taká veľká ako veľkosť baktérie. Baktérie nemôžu tak ľahko absorbovať častice.

Keď sa nadýchne uránu, prenos elektrónov mimo tela bunky tiež priamo zaisťuje prežitie mikróbov, ako nedávno ukázali vedci z Michiganskej štátnej univerzity. Upravili bunky Geobactera tak, aby nevytvárali pili. Baktérie potom redukovali urán v bunkách, čo viedlo k ich zničeniu

Takže použitie súboru pili sa zdá byť vierohodné. A je tiež zrejmé, že pili skutočne vedú elektrinu. Presný vodivý mechanizmus však stále nie je známy, aj keď sa nedávno ukázalo, že Lovley a jeho kolegovia veria, že ukazujú, že nanodrôty vedú elektrinu podobným spôsobom ako kov.³ Skúmali vedenie elektriny v sieti drôtových buniek Geobacter a tiež single pili. Výsledky naznačujú kovové vedenie, aké je pozorované v syntetických nanostruktúrach vyrobených z kovu alebo v poruchových kovoch.

Skeptickí kolegovia

Malá výskumná komunita zaoberajúca sa touto témou však zostáva skeptická. Napríklad Yuri Gorby: Lovleyov bývalý postdoktorand nedávno začal pracovať na univerzite v južnej Kalifornii a má veľké pochybnosti o tom, že pili možno skutočne charakterizovať ako kovy. Už vypadáva s Lovleyom. Počas svojho pôsobenia ako zamestnanec v Lovley vytvoril termín a koncept „nanodrôtov“, hovorí Gorby. Morálne sporné správanie však zabezpečilo, že sláva teraz pripadne iným.

Gorby dnes tiež pracuje na rôznych ďalších bakteriálnych kmeňoch, ktoré sú podľa neho vodivé. V roku 2006 demonštroval také nanodrôty pre organizmus nazývaný Shewanella. ⁴ Podobne ako Geobacter, aj Shewanella využíva na svoj metabolizmus dýchanie železa. Gorby má podozrenie, že veľmi veľa - takmer všetky mikroorganizmy - sú schopné vytvárať vodivé proteínové vlákna. Podľa jeho názoru by siete, ktoré spájajú mikroorganizmy cez hranice druhov, mohli hrať ústrednú úlohu v mnohých procesoch: od cyklov materiálov v pôde až po choroby spôsobené baktériami. Tiež je presvedčený, že je možné, že mikróby „komunikujú“ prostredníctvom sietí z nanodrôtov a vymieňajú si informácie podobným spôsobom ako neurónové siete.

Nová oblasť výskumu

Gorby a jeho tím sa v súčasnosti snažia charakterizovať „vodivosť“ baktérií - gény, ktoré sú pravdepodobne potrebné pre vodivosť pili. Týmto chce Gorby pomôcť novému výskumnému odboru v oblasti mikrobiológie dosiahnuť prielom. Lovley však Gorbyho nápady spochybňuje. Trvá na tom, že elektricky vodivé pili boli zatiaľ zistené iba pre Geobacter, a odmieta publikovanú prácu o nanodrôtoch v Shewanelle. Dokonca aj Jim Fredrickson, vtedajší šéf zodpovednej výskumnej skupiny, sa medzitým vzdialil od výsledkov Shewanelly, tvrdí Lovley.

Fredrickson tomu rázne odporuje: „Neodchýlil som sa od našich vtedajších výsledkov. Výklad spochybňujem, sú to dve úplne odlišné veci. ““ Dôkazy o elektrickej vodivosti materiálu nie sú dostatočné na vyvodenie záveru, že existuje mikrobiálny prenos elektrónov. Ďalší, dovtedy neznámy mechanizmus, by mohol spôsobiť vodivosť.

V tejto kontroverznej oblasti výskumu je veľký pohyb; málo sa zdá zatiaľ isté alebo nemožné. V každom prípade by pochopenie prenosu elektriny v baktériách malo slúžiť nielen na rozšírenie akademickej veže zo slonoviny, zhodujú sa Gorby a Lovley. Na použitie v bioremediacii by sa v budúcnosti mohla použiť výroba elektriny z mikróbov požierajúcich metán a vývoj bioelektronických komponentov, t. J. Senzorov alebo lekárskych analytických zariadení, ktoré využívajú nanodrôty vyrobené z baktérií.

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).