Науковці виявили бактерію, що працює як живий електричний дріт

У сірому мулі затоки Якіна, що в американському штаті Орегон, науковці виявили дивовижний мікроорганізм, який не плаває, не фотосинтезує і не полює. Натомість він робить щось набагато незвичніше — проводить електричний струм.

Мова йде про бактерію Candidatus Electrothrix yaqonensis — багатоклітинний нитчастий мікроорганізм, який здатний проводити електрони на відстані, що раніше вважалися неможливими в біології, фактично з'єднуючи хімічні реакції подібно до мікроскопічної електролінії.

Кабельні бактерії, до яких належить виявлений вид, справді особливі створіння. На відміну від більшості бактерій, які функціонують як окремі клітини, вони утворюють довгі ланцюжки клітин — нитки, що можуть простягатися на кілька сантиметрів крізь донні відклади. За мікробними мірками це просто величезний розмір.

У глибших, позбавлених кисню шарах мулу, деякі клітини цих бактерій «дихають» сульфідами, вивільняючи з них електрони. На поверхні, безпосередньо під водою, інші клітини завершують процес, передаючи ці електрони кисню. Уся нитка діє як провідник, поєднуючи глибинні анаеробні хімічні процеси з поверхневими кисневими реакціями.

Команда мікробіологів під керівництвом Анвара Хіралала та Філіпа Мейсмана відкрила цей вид у 2019 році. Дослідники виявили, що приливні рівнини затоки Якіна раніше вже були відомі як середовище існування електрично активних бактерій, але цей конкретний штам мав особливі характеристики.

Науковці вирішили виростити бактерію в лабораторних умовах. Вони використали метод клонального збагачення — кропіткий процес, що передбачає багаторазове перенесення у стерилізований осад для заохочення розвитку єдиного штаму. Спочатку вони виділили чисту культуру, а потім вирощували її протягом 14 місяців.

Зусилля виявилися недаремними. Команді вдалося отримати повний геном і охарактеризувати організм — від форми клітин до особливостей проходження електронів. Генетично штам YB6 виявився унікальним, достатньо відмінним, щоб класифікувати його як окремий вид. Науковці назвали його на честь народу яко'н — корінного племені, чиї споконвічні землі включають затоку Якіна.

Під мікроскопом нитки бактерії мали характерні зовнішні гребені, властиві кабельним бактеріям. Вони містили провідні волокна, які проводять електрику, але ці волокна були незвично широкими — до трьох разів ширшими, ніж у відомих видів. На відміну від прямих гребенів своїх родичів, гребені YB6 закручувалися спіраллю.

Застосувавши раманівську спектроскопію — метод, що використовує лазери для дослідження молекулярних вібрацій — дослідники виявили піки, що відповідали унікальному молекулярному кофактору NiBiD (нікель біс (дитіолен)). Цей незвичайний нікелевий комплекс є особливістю виключно кабельних бактерій. Саме він уможливлює передачу електронів на великі відстані. Жоден інший відомий організм не має такого кофактора.

Вимірювання електричних струмів, проведені шляхом розміщення ниток YB6 на золотих електродах, показали вражаючі результати: при помірній напрузі нитки проводили струм на рівні мікроампер. Хоча цього недостатньо для живлення смартфона, на мікробному рівні це величезний потік енергії.

Коли дослідники перевірили лише позаклітинні оболонки (порожні трубки, які бактерії іноді утворюють), провідності не спостерігалося. Оболонки виявилися ізольованими від основного «кабелю».

Відкриття Ca. Electrothrix yaqonensis є насамперед визначною біологічною знахідкою. Це приклад того, як життя розвинуло складні поведінкові патерни, зокрема далекосяжну клітинну співпрацю, без нервів, мозку чи кінцівок. Це також вказує на те, наскільки багатим може бути мікробне різноманіття, яке ми ще не дослідили.

Існує також перспектива практичного застосування цих бактерій у біоелектрохімічних процесах. Науковці розглядають можливість використання біологічних методів для вирощування провідників замість виплавки міді, створення бактеріями провідних мереж під землею або використання бактерій як природних датчиків якості води та забруднення.

Наразі YB6 залишається лише однією складовою ширшої картини мікробної електрики, яку ми тільки починаємо розуміти. Як показало дослідження команди Мейсмана, мул під нашими ногами виявився більш «електрифікованим», ніж ми думали раніше.

Результати дослідження опубліковано в журналі Applied and Environmental Microbiology.