Образно их можно назвать микроскопическими мастерами-кабельщиками: по всему миру в илистых отложениях крошечные бактерии питаются и растут, выстраивая в грязи электропроводящие цепи. Теперь выяснилось, как они это делают — сплетая крошечные пластины из никеля и органических соединений в проводящие волокна.
Первый в природе
Авторы исследования, опубликованного препринтом на bioRxiv, утверждают, что нашли первый биологический пример металл-органического каркаса — материала, создатели которого были удостоены Нобелевской премии по химии в прошлом месяце. Эти бактериальные проводники также проводят электричество гораздо лучше, чем синтетические органические провода, поэтому могут стать основой для гибкой, биосовместимой электроники с низким содержанием металлов и энергозатратами.
«Если это подтвердится, это будет крупный шаг в нашем понимании возможностей кабельных. Это то, за чем мы гнались годами», — прокомментировал электромикробиолог Ларс Петер Нильсен из Орхусского университета.
Его команда открыла кабельные бактерии в 2009 году в гавани Орхуса. С тех пор они найдены по всему миру в донных отложениях озер, рек и океанов. Эти микробы питаются богатыми серой соединениями, которые выделяются при разложении органического вещества — например, сероводородом. Бактерии забирают электроны у дурно пахнущего бесцветного газа и в конечном итоге передают их кислороду, которым изобилуют верхние слои осадка. Когда электроны переходят из состояния с более высокой энергией в сероводороде в состояние с более низкой энергией в кислороде, микробы могут забрать себе часть этой разницы.
Для осуществления окислительно-восстановительных реакций бактериям нужно связать сероводород в глубине с кислородом на поверхности. Природа нашла универсальное решение: делиться и сотрудничать. По мере размножения микробов, удлиняющих «провода» в иле, они образуют единый суперорганизм с общей клеточной мембраной.
«Это уникальное явление в биологии», — восхищен микробиолог Дерек Ловли из Массачусетского университета в Амхерсте.
Тысячи километров живых проводов
На сегодняшний день найдены «провода» длиной до 5 сантиметров, состоящие из 25 000 кабельных бактерий, которые взаимодействуют, чтобы образовать нечто вроде дыхательной трубки. По оценкам, один квадратный метр осадка может содержать около 20 000 километров таких бактериальных проводов. Эти «маленькие инженеры» перестраивают химический ландшафт отложений, способствуя преобразованию минералов, стимулируя круговорот питательных веществ и вызывая переток ионов, который подкисляет более глубокие слои.
Более десяти лет исследований не позволяли определить структуру этих проводов. Помогла электронная микроскопия. С ее помощью были выявлены отдельные нити бактерий, а по их периметру — десятки гребней, каждый из которых содержит проводящие волокна диаметром всего 50 нанометров. Волокна эти, в свою очередь, состоят из еще более мелких пучков сплетенных нанолент.
По данным рентгеновской спектроскопии, рентгеновской флуоресценции и компьютерного моделирования, кабельные бактерии извлекают следовые количества никеля из осадков и воды и создают длинные пластинчатые структуры, связывая атомы металла с богатыми серой органическими соединениями. Эти пластины складываются стопкой, образуя наноленты, а те сплетаются в пучки, подобные многожильным медным проводам в электронике. «Впечатляет, как эволюция оптимизировала эту структуру», — признается Нильсен.
Эта структура представляет собой первый металл-органический каркас биологического происхождения — класс материалов, который годами будоражил умы химиков. Пустоты в этих пористых материалах можно настроить для улавливания определенных молекул, что делает их полезными для хранения газов, таких как водород и метан, или для извлечения водяного пара или диоксида углерода из воздуха.
Что дальше
Химики разработали собственные способы синтеза никеля и органических соединений в проводящие нанопровода. Но бактериальные наноленты в 100 раз лучше проводят электроны, чем современные синтетические аналоги.
По словам Ловли, исследователи уже работают над адаптацией других бактериальных проводников для создания искусственных нейронов и новых типов химических сенсоров — и даже для получения электричества непосредственно из влажного воздуха. «Возможно, кабельные бактерии приведут к чему-то еще», — заключил он.