Бактерии объединяются для производства электричества

Исследователи из Института биодизайна Университета штата Аризона изучили взаимодействие двух важных форм бактерий, продемонстрировав их способность производить электричество за счёт координации метаболической активности.

В двух статьях в журнале Biotechnology and Bioengineering группа показала, что светочувствительная зелёная серная бактерия Chlorobium может действовать в тандеме с анододышащей бактерией Geobacter. Результатом является светочувствительная форма генерации электричества.

"Geobacter сам по себе не светочувствителен, так как не является фотосинтезирующим организмом", — говорит ведущий автор работ Джонатан Бадаламенти. В свою очередь, фотосинтезирующий Chlorobium не способен осуществлять анодное дыхание, необходимое для производства электричества. "Но когда вы объединяете эти два организма, вы получаете и световой отклик, и способность генерировать ток".

Электроны, которые Geobacter получает от своего фотосинтезирующего партнёра Chlorobium, можно измерить и собрать в виде электричества с помощью устройства, известного как микробный топливный элемент (MFC) — своего рода биологической батареи.

Исследователи изучили возможность увеличения производства электроэнергии в MFC, используя светочувствительный Chlorobium. Получившаяся экспериментальная установка, в которой светочувствительные бактерии участвуют в выработке энергии, известна как микробный фотоэлектрохимический элемент (MPC).

Для изучения поведения фотосинтезирующих бактерий в MPC команда использовала метод селективного обогащения культуры фототрофами, такими как Clorobium, устанавливая потенциал анода на уровне, благоприятном для их роста, но неблагоприятном для роста не фотосинтезирующих анододышащих бактерий.

Был отмечен интригующий результат: выработка электричества на аноде была связана с фазами полной темноты и снижалась в периоды, когда культура бактерий подвергалась воздействию света.

Наличие Chlorobium в культурах было подтверждено с помощью пиросеквенирования. Наблюдаемая отрицательная светочувствительность могла быть обусловлена либо прямым переносом электронов от Chlorobium к аноду в тёмных фазах, либо передачей этих электронов не фотосинтезирующей анододышащей бактерии, такой как Geobacter, через промежуточную реакцию.

В последующих экспериментах изучались чистые культуры Chlorobium или Geobacter, а также их совместное культивирование. В случае чистого Chlorobium светочувствительная генерация электричества не наблюдалась. Аналогично, чистые культуры Geobacter не производили электрический ток при отсутствии донора электронов, такого как ацетат, в среде.

Только при совместном культивировании фотосинтезирующего Chlorobium и анододышащего Geobacter происходила генерация электричества, и она носила отрицательный светочувствительный характер — увеличивалась в периоды темноты и снижалась в световые фазы.

Результаты совместного культивирования предполагают следующий сценарий:

• Бактерии Chlorobium собирают энергию света для фиксации CO₂ и питания своего метаболизма.
• В тёмных фазах они поддерживают себя, переключаясь с фотосинтеза на темновое брожение, используя накопленную энергию. Побочным продуктом этого брожения является ацетат.
• В периоды темноты анододышащий Geobacter получает электроны от ацетата, произведённого в результате метаболизма Chlorobium, и переносит их на анод MPC, вызывая наблюдаемый рост электрического тока.

Авторы отмечают, что одним из преимуществ их исследования является то, что генерация электричества на аноде может служить высокоточным индикатором сложных метаболических процессов в культуре MPC. "Мы можем контролировать метаболизм в системе в реальном времени", — говорит Бадаламенти.

В экспериментах без анода группа также показала, что выживание Geobacter в отсутствие альтернативных источников электронов зависело от наличия ацетата, полученного от Chlorobium.

Помимо установления механизма светочувствительной генерации электричества в MFC, исследование демонстрирует потенциал подобных исследований совместных культур для выяснения целого ряда энергопроизводящих микробных взаимодействий.