Живая энергия: учёные раскрыли механизм, который делает бактерии миниатюрными электростанциями

Группа исследователей из Университета Райса в сотрудничестве с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего выяснила, каким образом некоторые бактерии способны осуществлять процесс, аналогичный дыханию, путем выброса электронов на наружные поверхности.

Фото: www.freepik.com by pressfoto is licensed under Free More info

Ученый

Данный механизм, известный как внеклеточное дыхание, на протяжении многих лет вызывал интерес у ученых. Однако в исследовании, опубликованном в журнале Cell, ученые смогли выяснить, как широко распространенные бактерии, например, Escherichia coli, осуществляют этот электрический процесс.

Соавтор исследования, Бики Бапи Кунду, отметил, что этот недавно обнаруженный способ дыхания представляет собой простой и эффективный механизм. Нафтохиноны выполняют роль молекулярных посредников, транспортируя электроны из клетки, что позволяет бактериям расщеплять питательные вещества и генерировать энергию.

Дыхание, по сути, связано с перемещением электронов. У людей и большинства живых организмов кислород является конечным пунктом назначения этих электронов, что способствует высвобождению энергии, запасенной в пище. Однако жизнь зародилась задолго до появления значительного количества кислорода в атмосфере Земли, поэтому бактерии должны были найти альтернативные способы.

Кунду и его коллеги продемонстрировали, что E. coli, широко используемый модельный организм, который можно найти в кишечнике и лабораторных колбах по всему миру, способен выживать в отсутствие кислорода, используя небольшую молекулу – 2-гидрокси-1,4-нафтохинон (HNQ) – для переноса электронов из клетки наружу. Этот процесс осуществляется с помощью двух ферментов: NfsB и NfsA, принадлежащих к классу нитроредуктаз. Вместе они обеспечивают так называемый опосредованный внеклеточный перенос электронов (EET).

Затем электроны перемещаются на проводящие поверхности, превращая бактерии в своеобразные живые батарейки.

Соавтор исследования, профессор Кэролайн Аджо-Франклин, подчеркнула, что это открытие решает давнюю научную загадку и указывает на новую и потенциально распространенную стратегию выживания в природе.

В сотрудничестве с лабораторией Бернхарда Палссона в Калифорнийском университете в Сан-Диего команда также провела компьютерное моделирование, чтобы понять, как бактерии будут развиваться в бескислородной среде, содержащей электроды. Результаты моделирования были подтверждены экспериментально: бактерии, помещенные на проводящие материалы, успешно росли, выделяя электроны в процессе своей жизнедеятельности, пишет planet-today.

Интересно, что бактерии быстро адаптировались. После кратковременного контакта с электродными поверхностями у E. coli развилась определенная мутация в гене OmpC, отвечающем за кодирование белка во внешней мембране. Эта мутация позволила бактериям еще более эффективно расти на аноде.

Уточнения

Мута́ция (лат. mutatio «изменение») — стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) изменение генома. Термин предложен Хуго де Фризом в 1901 году.