Новое исследование Университета Вашингтона в Сент-Луисе (Washington University in St. Louis) объясняет клеточные процессы, позволяющие микробам «питаться» электричеством. Эти микробы поглощают электроны, чтобы связывать углекислый газ, способствующий их росту.
Группа под руководством Арпиты Босе (Arpita Bose) и Майкла Гузмана (Michael Guzman) из лаборатории Университета Вашингтона, показала, каким образом естественный штамм Rhodopseudomonas palustris поглощает электроны из проводников, таких как оксиды металлов, в частности ржавчина.
Исследование основывается на предыдущем открытии группы Босе, о том, что R. palustris может потреблять электроны из ржавых металлических материалов, например электродов, процесс называется внеклеточным переносом электронов (клетка не поглощает материал, а забирает из него только электроны). Бактерия R. palustris является фототрофной, это означает, что она использует энергию света для осуществления некоторых процессов в обмене веществ. Новое исследование раскрывает клеточные процессы, в которых бактерия утилизует полученные электроны.
«Это первое наглядное доказательство того, что способность организма питаться электричеством связана со связыванием углекислого газа», — говорит Босе, давно изучающая микробный метаболизм и его влияние на биогеохимические процессы.
Эти знания могут помочь в попытках использовать естественную способность микробов хранить энергию, а также для других биоэнергетических применений.
«Штаммы R. palustris можно найти даже в диких и заброшенных местах, — говорит Босе. — На самом деле, эти организмы можно найти повсюду. Это говорит о том, что поглощение электронов может быть очень распространённым явлением».
Гузман добавляет: «Главная проблема заключается в том, что это анаэробный микроб. Его надо выращивать в среде, где нет кислорода, чтобы он мог брать энергию от света. Но с другой стороны, это способствует такому приспособлению организма, которого нет у других».
В новой работе исследователи показали, что электроны входят в белки в мембране, что важно для фотосинтеза. Что интересно, когда учёные удалили у микроба способность связывать углекислый газ, они заметили 90-процентное снижение его способности поглощать электроэнергию.
«Он стремится связать углекислый газ с помощью такой системы, — говорит Босе. — Если у него исключить эту врождённую способность, он не будет поглощать электроны вообще». По её словам, эта реакция в какой-то мере похожа на то, что происходит в аккумуляторе.
«Микроб использует электричество для зарядки своего окислительно-восстановительного потенциала, накапливая электроны, — говорит Босе. — Для его разрядки клетка уменьшает количество углекислого газа. Энергию для этого она берёт от солнечного света. Весь процесс повторяется, позволяя клетке производить биомолекулы, используя только электричество, углекислый газ и солнечный свет».
Исследование открывает возможности для будущего применения биоэнергии.
«Давно известно, что микробы могут взаимодействовать с аналогами электродов в окружающей среде, то есть, минералами, которые тоже заряжены, — говорит Гузман. — Но никто не пытался выяснить, как этот процесс совершают фотоавтотрофы, такие типы организмов, которые связывают свой углерод и используют свет для производства энергии».
Лаборатория Босе работает над использованием этих микробов для производства биопластика и биотоплива.
«Мы надеемся, что возможность объединить электричество и свет для снижения выбросов углекислого газа, может быть использована для поиска путей выхода из энергетического кризиса», — говорит Босе.
