Биопленки Geobacter: нанопровода для выработки электричества из отходов

Новое исследование Мичиганского университета, опубликованное в Nature Communications, показывает, как бактерии Geobacter образуют на электродах биопленки и генерируют электричество. Этот процесс готов к масштабированию до промышленного уровня.

Толстая биопленка — это желатинообразная микробная «динамо-машина», состоящая из клеток, насыщенных цитохромами (металлосодержащими белками), и пилей — волосовидных белковых филаментов, открытых и запатентованных профессором микробиологии Джеммой Регерой.

Биопленки работают как электросеть. Каждая клетка — это электростанция, генерирующая разряды, которые доставляются к электроду по сети цитохромов и пилей. Цитохромы — это трансформаторы и вышки, снабжающие город электричеством. Пили — это немногочисленные, но мощные линии электропередач, подключающие к сети даже удаленные от электростанции вышки.

Цитохромы и пили работают вместе на коротких дистанциях — примерно в первых 10 слоях клеток, ближайших к электроду. По мере нарастания новых слоев эффективность цитохромов как переносчиков электронов падает, и всю работу выполняют пили, разряжая электроны в 1000 раз быстрее.

«Пили выполняют всю работу после первых 10 слоев и позволяют клеткам продолжать расти на электроде, иногда более чем в 200 слоев, одновременно вырабатывая электричество, — говорит Регера. — Это первое исследование, показывающее, как электроны могут преодолевать такие большие расстояния через толстые биопленки; пили действительно похожи на линии электропередач в наномасштабе».

Без этих «проводов» невозможно продолжать рост биопленки на электроде.

Ключом к открытию стал методологический подход, позволивший разделить вклад и взаимодействие цитохромов и пилей. Исследователи использовали генетический подход, чтобы устранить ключевых переносчиков электронов в биопленках, и изучили влияние мутаций на рост биопленки и способность генерировать ток. Также был создан мутант, производящий пили со сниженной проводимостью.

«Мы использовали мутантов, чтобы выращивать биопленки заданной толщины и способности производить электричество, — объясняет Регера. — Это позволило нам реконструировать пути — через цитохромы или пили, — используемые клетками для разряда электронов через биопленку к электроду».

Откровением стало понимание того, как биопленка механически стратифицируется по мере утолщения, не теряя способности генерировать электричество.

«Мы перешли от строительства клеточного эквивалента 10-этажного здания к 15- и 20-этажному и показали скоординированное действие цитохромов и пилей на нижних этажах и необходимость разряда электронов через "провода" на верхних этажах в сеть. Мы знаем, что можем построить 200-этажные здания, что открывает огромные возможности для применения этих биопленок».

В природе эти микробы «питаются» отходами. Биоэлектроды Регеры также обладают большим аппетитом к отходам и готовы к масштабированию для очистки промышленных объектов с одновременной выработкой электричества как побочного продукта. Следующий этап исследования — изучение вариантов создания спин-офф компании для вывода биоэлектродов на рынок.