Микроскоп показывает, как бактерии «дышат» токсичными металлами
Исследователи изучают обычные почвенные бактерии, которые «вдыхают» токсичные металлы и «выдыхают» их в нетоксичной форме. Эти бактерии однажды могут быть использованы для очистки токсичных химических веществ, оставшихся после производства ядерного оружия десятилетия назад.
Используя уникальную комбинацию микроскопов, исследователи из Университета штата Огайо и их коллеги смогли увидеть, как бактерия Shewanella oneidensis расщепляет металл, чтобы химически извлечь кислород.
Исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Applied and Environmental Microbiology, предоставляет первые доказательства того, что Shewanella перемещает белки внутри бактериальной клетки в её внешнюю мембрану для прямого контакта с металлом. Затем белки связываются с оксидами металлов, которые бактерии используют так же, как мы используем кислород.
Этот процесс называется дыханием — так живые организмы получают энергию. Мы используем вдыхаемый кислород для высвобождения энергии из пищи. Но в природе у бактерий не всегда есть доступ к кислороду.
«Будь то в почве или под водой, бактерии могут полагаться на металлы, чтобы получить необходимую им энергию. Это древняя форма дыхания», — объяснил Брайан Лоуэр, доцент Школы природных ресурсов и окружающей среды в Университете штата Огайо.
«Такой тип дыхания интересен с эволюционной точки зрения, но нас также интересует, как мы можем использовать бактерии для очистки от таких неприятных соединений, как уран, технеций и хром».
Последние два являются побочными продуктами производства плутония. Министерство энергетики США спонсирует эту работу, чтобы найти новые методы обработки отходов от производства ядерного оружия в 1960-х и 1970-х годах.
Shewanella естественным образом присутствует в почве, и её можно найти на местах захоронения ядерных отходов, таких как объект «Хэнфорд» в штате Вашингтон.
С лучшим пониманием способностей этой бактерии учёные однажды могут создать генетически модифицированную Shewanella, которая будет очищать такие отходы более эффективно.
Опасность таких мест заключается в том, что токсичные металлы растворимы и могут просачиваться в местные водные источники. Но эти бактерии естественным образом превращают металлы в нерастворимую форму. Хотя металлы останутся на месте, они будут стабильными твёрдыми веществами, а не нестабильными жидкостями.
Для этого исследования Лоуэр и его коллеги использовали атомно-силовой микроскоп (АСМ), чтобы проверить, как бактерия реагирует на минерал гематит.
АСМ работает подобно миниатюрной игле фонографа: крошечный зонд на кантилевере перемещается над изучаемой поверхностью. Кантилевер измеряет отклонения зонда, что позволяет обнаруживать объекты размером менее нанометра и измерять атомные силы между зондом и поверхностью.
Они совместили АСМ с оптическим микроскопом, чтобы точно определить местоположение бактерий на гематите.
Хотя бактерии очень малы (несколько сотен тысяч могут поместиться в точке в конце предложения), они всё же в тысячи раз больше кончика зонда АСМ. Это позволило микроскопу «просканировать» поверхность отдельных бактерий и обнаружить белковые молекулы на поверхности клетки, контактирующие с металлом.
Исследователи покрыли кончик своего зонда антителами к белку OmcA, который, как они подозревали, Shewanella использует для «дыхания» металлом.
Всякий раз, когда зонд проходил над белком OmcA, покрытие из антител прилипало к нему. Измеряя крошечное увеличение силы, необходимое для их разъединения, исследователи могли определить, где на поверхности бактерии расположены белки.
Микроскоп обнаружил OmcA по всему периметру бактерий, везде, где клеточная мембрана контактировала с гематитом, — что подтверждает роль этого белка в «дыхании». Белок также присутствовал в желеобразном веществе, выделяемом бактериями. Это позволяет предположить, что Shewanella может создавать эту слизь, чтобы получать энергию с большей площади металла, чем та, к которой она может прикоснуться напрямую.
В будущем исследователи планируют испытать свою новую микроскопическую технику на других типах клеток, а также проверить, производит ли Shewanella белок OmcA на поверхности клетки при воздействии урана и технеция.