Bakterie elektrogeniczne były dotąd znajdowane w egzotycznych środowiskach, takich jak kopalnie czy dna jezior, ale naukowcy przegapili inne, równie egzotyczne źródło występowania tych bakterii – ludzkie jelito.
Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, odkryli, że bakteria wywołująca biegunkę, Listeria monocytogenes, wytwarza energię elektryczną przy użyciu zupełnie innej techniki niż inne znane bakterie elektrogeniczne. Co więcej, setki innych gatunków bakterii używa tej samej metody.
Wiele z tych bakterii jest częścią ludzkiego mikrobiomu jelitowego, a spora część z nich, podobnie jak Listeria monocytogenes, która powoduje listeriozę, jest chorobotwórcza. Bakterie wywołujące gangrenę – Clostridium perfringens – i paciorkowce kałowe powiązane z zakażeniami w szpitalach – Enterococcus faecalis – oraz niektóre chorobotwórcze bakterie Streptococcus, również wytwarzają energię elektryczną. Inne elektrogeniczne bakterie, takie jak Lactobacillus, odgrywają ważną rolę w fermentacji jogurtu, a wiele z nich to probiotyki.
Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Nature”.
– Wiele drobnoustrojów, które wchodzą w interakcje z ludźmi, zarówno jako patogeny, jak i probiotyki, będących częścią naszej mikroflory lub biorących udział w fermentacji produktów ludzkich, są elektrogeniczne. Ten fakt został pominięty wcześniej – powiedział Dan Portnoy, profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego, specjalizujący się w biologii molekularnej i komórkowej. – To może nam powiedzieć wiele o tym, jak te bakterie nas infekują lub pomagają nam zachować zdrowie jelit – dodał.
Odkrycie to jest także dobrą wiadomością dla tych, którzy badaczy próbujących stworzyć żywe baterie z mikrobów. Takie „zielone” technologie bioenergetyczne mogą, na przykład, wytwarzać energię elektryczną z bakterii w zakładach przetwarzania odpadów.
Bakterie wytwarzają energię elektryczną z tego samego powodu, dla którego my oddychamy tlenem: do usuwania elektronów powstających podczas metabolizmu i wspomagania produkcji energii. Zwierzęta i rośliny przenoszą elektrony na tlen znajdujący się wewnątrz mitochondriów w każdej komórce, ale bakterie żyjące w środowiskach beztlenowych, w tym w naszych jelitach, ale także w kadziach do fermentacji alkoholu czy kopalniach – muszą znaleźć innego akceptora elektronów. W środowiskach geologicznych często są to minerały poza komórką – na przykład żelazo lub mangan. W pewnym sensie bakterie te „oddychają” żelazem lub manganem.
Transfer elektronów z komórki do minerału wymaga kaskady specjalnych reakcji chemicznych, tzw. zewnątrzkomórkowego łańcucha transferu elektronów, który przenosi elektrony w postaci słabego prądu elektrycznego. Niektórzy naukowcy wykorzystali ten łańcuch, by stworzyć baterię.
Nowo odkryty mechanizm przeniesienia elektronów jest w rzeczywistości prostszy i wydaje się, że jest wykorzystywany przez bakterie tylko wtedy, gdy jest to konieczne, być może gdy poziom tlenu jest niski. Jak dotąd został wykryty u bakterii z pojedynczą ścianą komórkową sklasyfikowanych, jako bakterie Gram-dodatnie, które żyją w środowisku bogatym we flawiny – pochodne witaminy B2.
– Wydaje się, że struktura komórkowa tych bakterii i bogata w witaminy nisza ekologiczna, którą zajmują, znacznie ułatwia transfer elektronów z komórki. W związku z tym uważamy, że konwencjonalnie badane bakterie wykorzystujące minerały, używają pozakomórkowego transferu elektronów, bo jest to kluczowe dla ich przetrwania, podczas gdy te nowo zidentyfikowane używają go, ponieważ jest to proste – wyjaśnił Sam Light, główny autor publikacji.
Aby sprawdzić, jak solidny jest ten system, Light połączył siły z Caroline Ajo-Franklin z Lawrence Berkeley National Laboratory, która bada interakcje między żywymi drobnoustrojami oraz materiały nieorganiczne do możliwych zastosowań w wychwytywaniu i sekwestracji dwutlenku węgla oraz wytwarzaniu energii.
Ajo-Franklin użyła elektrody do pomiaru prądu elektrycznego, który płynie z bakterii. Okazało się, że ma natężenie do 500 mikroamperów. W rzeczywistości wytwarzają one tyle elektryczności – około 100 000 elektronów na sekundę na komórkę – jak inne znane bakterie elektrogeniczne.
Light jest szczególnie zaintrygowany obecnością tego mechanizmu u Lactobacillus, bakterii niezbędnej do produkcji sera, jogurtu i kiszonej kapusty. Być może, jak sugeruje, transport elektronów odgrywa rolę w smaku sera i kiszonej kapusty.
– Jest to duża część fizjologii bakterii, o których istnieniu ludzie nie zdawali sobie sprawy. Bakterie te mogą potencjalnie zostać zmanipulowane – przyznał Light. Light i Portnoy podkreślają, że trzeba dalszych badań, by odpowiedzieć na pytania, jak i dlaczego te bakterie opracowały tak unikalny system?
Źródło i fot.: University of California – Berkeley
