Новое исследование Университета Вашингтона в Сент-Луисе 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 Rhodopseudomonas 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 Rhodopseudomonas 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 утилизирует 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 Rhodopseudomonas 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, опубликованной в Nature Communications, 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.
Подготовка материала: Лина Медведева