Ученые заставили железоокисляющие бактерии «дышать» электронами вместо железа

Ученые разработали метод выращивания железоокисляющих бактерий с использованием электричества вместо железа. Это позволит лучше изучать эти организмы и в перспективе может быть использовано для преобразования электричества в топливо. Исследование будет опубликовано 29 января в mBio, онлайн-журнале Американского общества микробиологии.

Метод, названный электрохимическим культивированием, снабжает бактерии постоянным потоком электронов, которые они используют для дыхания. Это открывает возможность в будущем направлять электричество из возобновляемых источников (ветер, солнце) к бактериям, которые смогут комбинировать его с CO₂ для создания биотоплива, упаковывая энергию в полезное, хранимое вещество.

«Это новый способ культивирования микроорганизма, который было очень трудно изучать. Но тот факт, что эти организмы могут синтезировать всё необходимое, используя только электричество, делает нас очень заинтересованными в их способностях», — говорит Дэниел Бонд из Института биотехнологий Университета Миннесоты, соавтор работы.

Чтобы «дышать», железоокислители забирают электроны у растворенного железа Fe(II) — процесс, который производит большое количество ржавчины Fe(III). Эти бактерии распространены по всему миру, почти везде, где аэробная среда (с кислородом) встречается с анаэробной (без кислорода). Они играют важную роль в глобальном цикле железа и способствуют коррозии стальных трубопроводов, мостов и кораблей. Однако их образ жизни на границе двух сред и накопление Fe(III), захватывающего клетки, затрудняют их выращивание и изучение в лаборатории.

Ученые полагают, что эти бактерии осуществляют окисление железа на своей поверхности. Если это так, рассудил Бонд, внешняя сторона организмов должна быть покрыта белками, взаимодействующими с Fe(II). Следовательно, можно обеспечить поток чистых электронов к поверхности бактерий и заставить их расти.

Бонд и его коллеги добавили морской железоокислитель Mariprofundus ferrooxydans PV-1 вместе с питательной средой к электроду, тщательно настроенному на подачу электронов с тем же энергетическим уровнем (потенциалом), что и Fe(II). Идея, по словам Бонда, заключалась в том, чтобы «обмануть бактерии, заставив их думать, что они на лучшем в мире шведском столе из атомов Fe(II)».

Это сработало. Бактерии размножались и образовали пленку на электроде. В итоге ученые смогли вырастить M. ferrooxydans без железа в среде, что доказало: бактерии живут за счет электронов, поглощаемых с электрода, чтобы фиксировать CO₂ и размножаться. Поскольку донор электронов — твердая поверхность, авторы считают, что бактериальный механизм сбора электронов, вероятно, расположен на внешней мембране клетки.

Именно эта фиксация CO₂ может однажды позволить электрохимическому культивированию создавать биотопливо или другие полезные продукты, говорит Бонд.

«Бактерии — эксперты по улавливанию CO₂. Они строят из углерода клетки и соединения», — говорит он. В будущем их можно будет использовать как микроскопические упаковщики энергии: бактерии вроде M. ferrooxydans могли бы захватывать электричество с электрода, комбинировать его с CO₂ и упаковывать в виде богатого углеродом соединения, которое мы могли бы использовать как топливо. Это преобразовало бы энергию электричества, которая мимолетна, в осязаемый продукт, хранимый в баке. Однако, предупреждает Бонд, такая работа — дело далекого будущего.

«Если для реализации этой идеи нужно сделать 100 шагов — это шаг номер один», — говорит он.