Белки, переносящие электроны, могут быть секретом "электрических бактерий"

Ученые под руководством Моха Эль-Наггара из Университета Южной Калифорнии (USC Dornsife) исследуют бактерию Shewanella oneidensis — микроорганизм, который "дышит" горными породами, перенося электроны из клетки наружу через свою внешнюю мембрану.

Этот процесс аналогичен дыханию человека, где электроны от пищи в конечном итоге передаются кислороду. Бактерия была открыта Кеннетом Нильсоном около 30 лет назад, но механизм переноса электронов оставался загадкой.

В статье, опубликованной 22 марта в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда из USC и Caltech представила новое понимание этого механизма. Они предполагают, что ключевую роль играют "нанопровода" — выросты на клеточной мембране, покрытые цитохромами (железосодержащими белками, переносящими электроны).

Исследование нанопроводов

Ранее считалось, что эти выросты — пили (микроворсинки). Однако в 2013 году исследователь из лаборатории Эль-Наггара Саханд Пирбадиан обнаружил, что это продолжения клеточной мембраны.

В новом исследовании команда использовала электронную криотомографию (ECT). Этот метод позволяет мгновенно замораживать клетки, сохраняя их почти в естественном состоянии, и получать их трехмерные изображения с наноразрешением.

Анализ показал, что нанопровода — не простые трубки, а скорее "цепочка мембранных жемчужин", соединенных вместе. Белки-цитохромы в мембране распределены неравномерно: некоторые соприкасаются, другие отстоят друг от друга на расстояние до 30 нанометров — слишком далеко для прямого "прыжка" электрона.

Предложенный механизм

Ученые выдвинули гипотезу: белки свободно перемещаются (плавают) внутри мембраны. Их случайные столкновения создают условия для обмена электронами от одного белка к другому по цепочке, пока электрон не достигнет конца нанопровода и не передастся на поверхность породы или металла.

Следующий шаг — экспериментально подтвердить, что такие столкновения действительно происходят.

Практический потенциал

Изучение "электрических бактерий" открывает возможности для новых технологий:

• Микробные топливные элементы для генерации электроэнергии.
• Очистка сточных вод с одновременной выработкой небольшого количества тока.
• Понимание форм жизни в бескислородных средах (глубокий океан, поверхность Марса).

"Моя лаборатория движима идеей создания новых машин, где живые клетки функционируют как часть гибридной биотико-абиотической системы. Мы пытаемся заложить основы нового поколения живой электроники", — сказал Эль-Наггар.