Бактерия как электропроводник

Бактерия с труднопроизносимым латинским названием Geobacter sulfurreducens обладает поистине уникальными способностями - американские исследователи обнаружили это еще десять лет назад. Оказалось, что этот микроорганизм, впервые описанный в 1994 году, может находить в почве тяжелые металлы, включая радиоактивные, перерабатывать их, да еще производить при этом электроэнергию.

Группе ученых во главе с Дереком Лавли (Derek Lovely), профессором Массачусетского университета в Амхёрсте, и Барбарой Мете (Barbara Methé), профессором Института геномных исследований в Роквилле, штат Мэриленд, удалось тогда выявить генетический механизм, благодаря которому бактерия улавливает участки почвы с высоким содержанием тяжелых металлов и начинает перемещаться в их сторону. Прибыв на место, бактерия переносит на ионы металла электроны. В результате этого процесса, именуемого, как известно, восстановлением, растворимость металла в воде, как правило, уменьшается, он выпадает в осадок и может быть легко удален. А в качестве источника электронов бактерия использует водород и ацетаты, то есть соли уксусной кислоты.

Неожиданная способность фимбрий

Конечно, бактерия руководствуется в своих действиях не заботой об охране окружающей среды, а потребностью в энергии. Таким образом, это единственный известный науке микроорганизм, сочетающий окисление ацетатов или водорода с восстановлением железа и ряда других металлов. От прочих представителей своего семейства, также способных восстанавливать металлы, Geobacter sulfurreducens отличается, во-первых, всеядностью, что позволяет ей перерабатывать весьма широкий круг металлов, а во-вторых, более высокой эффективностью в производстве энергии. Ученые насчитали в геноме необычного микроорганизма более ста генов, кодирующих белки, так или иначе связанные с переносом электронов на металлы. Заодно выяснилось, что бактерия вовсе не обязательно нуждается в бескислородной среде обитания, как считалось ранее: она выживает и в присутствии кислорода.

Однако профессор Лавли на этом не успокоился и вскоре поразил ученый мир статьей в журнале Nature, в которой утверждал, что так называемые фимбрии, или пили, то есть длинные и тонкие нитевидные выросты на поверхности бактериальной клетки, могут проводить электрический ток. Эти ворсинки, состоящие из белка и достигающие порой в 20 раз большей длины, чем сама бактерия, участвуют в прикреплении клетки к субстрату и выполняют ряд иных функций, многие из которых еще не до конца изучены, но утверждение, что они являются проводником наподобие металлической проволоки, изрядно смутило сообщество микробиологов.

Новые факты, новые доказательства...

Два года назад профессор Лавли представил данные новых измерений, из которых следовало, что по электрофизическим свойствам фимбрии сходны с металлорганическими наноструктурами. Это сообщение тоже было воспринято с недоверием. Впрочем, самого ученого скептицизм коллег не удивил: "Концепция металлоподобной электропроводности хорошо известна специалистам, работающим с синтетическими материалами, но в биологическом материале это явление обнаружено впервые. Тут требуется уйма убедительных доказательств, подтверждающих правильность наших представлений".

И вот теперь профессор Лавли представил в журнале mBio эти доказательства. Более того, он предложил и объяснение механизма, обеспечивающего столь удивительные свойства фимбрий. В основу статьи легли результаты опытов, в ходе которых ученый методами генной инженерии создал в лаборатории новый штамм бактерии, отличающийся от обычного одной, но весьма существенной деталью: ген, кодирующий структурный белок, из которого состоят фимбрии, был модифицирован с таким расчетом, чтобы несколько аминокислот, содержащих ароматическое кольцо, оказались замещены аминокислотами без такого кольца.

Внешний вид ворсинок от этого совершенно не изменился, а вот их электрофизические свойства… Профессор Лавли поясняет: "Материаловеды отлично знают, что металлоподобная проводимость в синтетических органических материалах базируется на ароматических соединениях. В белках вроде того, который образует основу фимбрии, такими ароматическими соединениями могут быть только аминокислоты. Мы решили проверить нашу гипотезу, заменив пять ароматических аминокислот на самом конце белковой молекулы неароматическими аминокислотами. И действительно, это привело к утрате электропроводности".

... и даже новая гипотеза

Таким образом, очевидно, что именно благодаря ароматическим аминокислотам в составе белка, образующего фимбрию, эта бактериальная структура становится чем-то вроде биологического нанопровода с металлоподобными свойствами. Ученый поясняет: "В биологии перенос электронов обычно осуществляется их переходом от одной молекулы к другой. Но в металлоподобном проводнике электроны не связаны с определенной молекулой. Это скорее облако свободных электронов, которые могут перемещаться в том или ином направлении".

Как известно, ароматическое, или бензольное кольцо - это замкнутая плоская структура из шести атомов углерода с охватывающим их единым электронным облаком. По мнению профессора Лавли, плотное расположение ароматических аминокислот приводит к тому, что их кольца накладываются друг на друга, электронные облака в известной мере сливаются, и свободные электроны, как в кристаллической решетке металлов, могут легко передвигаться на довольно значительные расстояния. Теперь ученый намерен более детально изучить этот процесс: "Мы должны лучше понимать структуру фимбрий. Мы убедились в том, что ароматические аминокислоты играют важную роль, но мы понятия не имеем, где именно они находятся и как распределены, чтобы обеспечить электропроводность на всем протяжении фимбрии".

Параллельно с этими - сугубо фундаментальными - исследованиями ученый работает и над решением прикладных задач: колонии таких бактерий, судя по всему, смогут найти применение в микробиологических топливных элементах.