Двойная жизнь бактерии: жизнь на железе и чистом электричестве

Исследователи из Центра устойчивых ресурсов RIKEN и Токийского университета продемонстрировали, что бактерия Acidithiobacillus ferrooxidans может получать электроны, необходимые для роста, напрямую от источника питания — электрода, когда железо (её уже известный источник энергии) отсутствует. Исследование, опубликованное в Frontiers in Microbiology, показывает, что A. ferrooxidans может использовать прямое поглощение электронов с электрода для питания того же метаболического пути, который активируется окислением диффундирующих ионов железа.

Подобно тому, как растения с хлорофиллом используют фотосинтез для преобразования энергии света в сахара, необходимые для роста, другие организмы получают энергию для производства сахаров, забирая электроны из веществ в окружающей среде — процесс, называемый хемосинтезом. Организмы, получающие энергию таким образом, называются хемотрофами, а те, что получают электроны через окисление неорганических веществ — хемолитоавтотрофами.

«Мы исследуем возможность существования третьего типа экосистемы, — объясняет руководитель группы Рюхэй Накамура. — Мы называем её электро-экосистемой, потому что микробная активность поддерживается в первую очередь прямым электрическим током».

Недавно его команда обнаружила геоэлектрические токи в стенках «чёрных курильщиков» — гидротермальных источников, — что позволяет предположить, что некоторые глубоководные микробы могут быть электролитоавтотрофами, то есть организмами, способными использовать электрический потенциал (проще говоря, «питаться» электронами) в качестве источника энергии вместо света или окружающих неорганических веществ.

Поскольку доступ к микробам в такой среде затруднён, команда провела эксперимент с A. ferrooxidans — известной хемолитоавтотрофной бактерией, окисляющей ионы железа (Fe²⁺), — чтобы проверить гипотезу о том, что способность переключаться с неорганических веществ на электричество не уникальна в микробном мире.

Команда культивировала A. ferrooxidans в среде, свободной от Fe²⁺, и подавала на электрод электрический потенциал +0.4 В, углекислый газ в качестве источника углерода и кислород в качестве акцептора электронов. Они обнаружили, что эти условия создают ток, исходящий от электрода, и что сила тока зависит от количества клеток, прикреплённых к электроду. Убийство клеток УФ-светом немедленно подавляло ток.

Чтобы определить, как генерируется этот ток, они использовали искусственную фотохимическую реакцию. В норме монооксид углерода связывается с гемовыми белками в наружных мембранах A. ferrooxidans и предотвращает окисление. Но при воздействии света эта связь разрывается, и окисление продолжается. В эксперименте монооксид углерода также предотвращал образование тока между электродом и клетками A. ferrooxidans, а воздействие света снимало этот блок и позволяло току течь. Это указывало на то, что для электросинтеза, демонстрируемого A. ferrooxidans, необходим гемовый белок.

Дальнейший анализ показал, что ответственным гемовым белком является aa3 комплекс, который, как известно, играет роль в «нисходящем» переносе электронов у A. ferrooxidans, генерирующем АТФ и протондвижущую силу. Эта сила, в свою очередь, позволяет осуществлять «восходящий» перенос электронов и фиксацию углерода — ключевые процессы производства сахаров. Ингибирование белкового комплекса, участвующего в процессе «восходящего» переноса, подавляло ток, показывая, что генерируемая протондвижущая сила действительно использовалась для этого переноса. Кроме того, оптическая плотность клеток, культивируемых с электродом в течение восьми дней, со временем увеличивалась, что указывало на рост и на то, что ток, генерируемый электронами, текущими от электрода к клеткам, использовался для фиксации углерода.

«Теперь, когда мы определили метаболический путь электролитоавтотрофов у A. ferrooxidans, мы сможем применить эти знания к бактериям, которых находим у глубоководных источников, — говорит Накамура. — Следующий шаг — доказать существование электро-экосистем в ходе натурных глубоководных экспериментов».

Понимание электро-экосистем и того, как электрические токи могут поддерживать жизнь, может привести к созданию модели устойчивых человеческих экосистем с использованием таких технологий, как топливные элементы, батареи и термоэлектрические преобразователи.