Потери напряжения у электропроводящих бактерий
Международная группа исследователей пролила новый свет на кабельные бактерии. С помощью лазерного света ученые проследили за движением электронов через эти токопроводящие бактерии и на основе измерения электрического потенциала рассчитали, что бактерии не могут эффективно функционировать на глубине более 3 см в осадке из-за потери напряжения.
Исследователи из Орхусского университета вместе с коллегами из Нидерландов и Австрии использовали лазерную спектрометрию в качестве продвинутого вольтметра, чтобы отследить движение электронов через кабельные бактерии на миллиметровых расстояниях — в тысячу раз больших, чем когда-либо измеренные в любом живом организме.
На основе измерений ученые также рассчитали потерю напряжения через отдельную кабельную бактерию (примерно 12–14 милливольт на мм) и, следовательно, максимальную глубину, на которую они могут проникнуть в бескислородное морское дно, не теряя способности проводить ток: «У них возникнут проблемы, если они протянутся более чем на три сантиметра вниз в осадок. В принципе, отдельные бактерии могут быть длиннее трех сантиметров, но тогда они должны извиваться вверх и вниз, чередуя кислородные и бескислородные среды в осадке», — объясняет профессор Андреас Шрамм из Центра электромикробиологии (CEM) Орхусского университета.
Картина в мутной воде
Базовый исследовательский центр CEM был создан в 2017 году для поиска ответов на вопросы, возникшие после открытия этих живых электрических кабелей в морском дне залива Орхус семь лет назад.
Как живая биологическая структура может действовать как эффективный проводник? Как бактерия распределяет энергию между клетками? И как она ее использует? Тогда у ученых была лишь смутная картина происходящего в этих длинных тонких бактериях. Бактерии транспортируют электроны из бескислородного ила на глубине пары сантиметров в осадке к богатому кислородом илу на поверхности, что позволяет им «есть» одним концом и «дышать» другим.
После наблюдения за живыми кабельными бактериями под микроскопом и применения к ним резонансной рамановской спектроскопии исследовательская группа приблизилась к одному из ответов. Их результаты опубликованы в научном журнале PNAS 7 мая.
Рамановская спектроскопия освещает молекулы лазерным светом. Распределение частот рассеянного света позволяет определить энергетический уровень молекул.
«В этом контексте мы использовали прибор как продвинутый вольтметр, который мы направили на определенный тип белков — цитохромы — в кабелях», — сказал первый автор публикации, аспирант Орхусского университета Еспер Т. Бьерг.
Отключение питания
Глава CEM, профессор Ларс Петер Нильсен, говорит: «Все живые клетки перемещают электроны и пытаются «припарковать» их в так называемых цитохромах. Чем больше свободных парковочных мест, тем выше электрический потенциал. С помощью нашего продвинутого вольтметра мы теперь измерили доступные парковочные места и, следовательно, электрический потенциал каждого цитохрома вдоль «проводов» отдельных кабельных бактерий, пока эти провода проводили электроны от одного конца бактерии к другому. Наши измерения показали самый низкий потенциал в клетках на конце, где загружались электроны из источника пищи, и самый высокий потенциал на противоположном конце, где электроны разгружались на кислород».
В рамках исследования ученые отрезали лазером верхний конец бактерии (тот, который передает электроны кислороду в воде). Это привело к быстрому снижению электрического потенциала в оставшейся части бактерии, что указывало на то, что парковочные места в цитохромах были заполнены электронами, которые не могли двигаться дальше из-за отключения электричества.
«Это первый раз, когда транспорт электронов был продемонстрирован в отдельных кабельных бактериях. В то же время мы использовали хорошо зарекомендовавший себя метод, подтвердив результаты наших первоначальных измерений в непрозрачных колонках с илом», — сказал Ларс Петер Нильсен.