(Zach Pearl) Für mund- und lungenlose Bakterien ist das Atmen etwas komplizierter als für Menschen.
Wir atmen Sauerstoff ein und aus Kohlendioxid ; Geobacter – eine allgegenwärtige, im Grundwasser lebende Bakteriengattung – verschlingen organische Abfälle und „atmen“ Elektronen aus, wodurch eine entsteht winziger elektrischer Strom dabei.
Diese Abfallelektronen müssen immer irgendwo hingehen (normalerweise in ein reichlich vorhandenes unterirdisches Mineral wie …). Eisen Oxid) und Geobacter verfügen über ein unkonventionelles Werkzeug, um sicherzustellen, dass sie dorthin gelangen.
„Geobacter atmen durch etwas, das im Wesentlichen einen riesigen Schnorchel darstellt, der hundertmal so groß ist“, sagte Nikhil Malvankar, Assistenzprofessor am Microbial Science Institute der Yale University in Connecticut, gegenüber WordsSideKick.com.
Dieser „Schnorchel“ wird Nanodraht genannt. Obwohl diese winzigen, leitenden Filamente 100.000-mal kleiner sind als die Breite eines menschlichen Haares, sind sie in der Lage, Elektronen zu transportieren, die hundert- bis tausendmal so lang sind wie ein Individuum Geobacter Mikrobenkörper.
Dank dieser Anpassung Geobacter gehören zu den beeindruckendsten Atemschutzgeräten der Welt. („Sie können nicht 1.000 Fuß [300 Meter] vor sich ausatmen, oder?“, sagte Malvankar.)
Zu jeder Zeit brummen Milliarden dieser Bakterien unter dem Meeresboden vor Elektrizität. Jetzt in einer neuen Studie, die am 17. August in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturchemische Biologie Malvankar und seine Kollegen haben herausgefunden, wie man diese Energie zu einem leistungsstarken, mikrobiellen Stromnetz kombinieren kann.
Mithilfe fortschrittlicher Mikroskopietechniken haben die Forscher das „geheime Molekül“ entdeckt, das dies ermöglicht Geobacter über ungeheuer lange Distanzen zu atmen, die es zuvor noch nie gegeben hat Bakterien .
Das Team fand auch heraus, dass durch die Stimulierung von Kolonien Geobacter Mit einem elektrischen Feld leiteten die Mikroben Strom 1.000-mal effizienter als in ihrer natürlichen Umgebung.
Das Verständnis dieser angeborenen elektrischen Anpassungen könnte ein entscheidender Schritt bei der Transformation sein Geobacter Kolonien in lebende, atmende Batterien verwandeln, sagten die Forscher.
„Wir glauben, dass diese [Entdeckung] genutzt werden könnte, um aus den Bakterien unter Ihren Füßen Elektronik herzustellen“, sagte Malvankar.
Eine äußerst schockierende Mikrobe
Zu Hause tief unter der Erde in feuchter, sauerstoffarmer Erde, Geobacter können in rauen Umgebungen überleben, wie es nur wenige andere Mikroben können, sagten die Studienautoren.
Nanodrähte, die es ihnen ermöglichen, in Abwesenheit zu atmen Sauerstoff , sind entscheidend für die Aufbewahrung Geobacter Mikroben, die im Boden leben, wo Elektronenakzeptoren wie Eisenoxid selten weiter als ein paar Millionstel Meter entfernt sind.
Allerdings haben im Labor gezüchtete Geobacter-Kolonien nicht immer den Luxus, in der Nähe reichlich vorhandener Mineralien zu leben.
In bisherige Forschung , Malvankar und Kollegen fanden heraus, dass es im Labor gezüchtet wurde Geobacter Sulfurreducens Mikroben zeigen einen weiteren cleveren Überlebenstrick, wenn sie einer kleinen Elektrode oder einer elektrisch leitenden Scheibe ausgesetzt werden.
Angeregt durch das elektrische Feld verdichten sich die Mikroben Biofilme – miteinander verbundene Haufen von Hunderten einzelner Mikroben, die Elektronen durch ein einziges gemeinsames Netzwerk bewegen.
„Sie stapeln sich wie Hochhauswohnungen, Hunderte Stockwerke hoch“, sagte Malvankar. „Und sie können sich alle das gleiche Stromnetz teilen und ständig Elektronen abgeben.“
Die große Frage, die Malvankar und seine Kollegen beschäftigte, ist, wie Mikroben im „100. Stock des Hochhauses“, wie er es nannte, in der Lage sind, Elektronen bis zum Boden des Stapels und dann durch einen Nanodraht nach draußen zu schießen – Elektronen effektiv über eine Distanz ausatmen, die das Tausendfache der Körperlänge der ursprünglichen Mikrobe beträgt.
Solche Abstände seien bei der mikrobiellen Atmung „bisher nicht zu sehen“, sagte Malvankar, und unterstreichen die Einzigartigkeit Geobacter sind, wenn es darum geht, raue Umgebungen zu überstehen.
Um den Geheimnissen des Nanodrahts auf die Spur zu kommen, analysierten die Autoren der neuen Studie im Labor gezüchtete Kulturen Geobacter unter Verwendung zweier modernster Mikroskopietechniken.
Die erste, hochauflösende Rasterkraftmikroskopie, sammelte detaillierte Informationen über die Struktur von Nanodrähten, indem sie ihre Oberfläche mit einer äußerst empfindlichen mechanischen Sonde berührte.
„Es ist ein bisschen so, als würde man Blindenschrift lesen, aber die Unebenheiten sind ein Milliardstel Meter groß“, sagte die leitende Studienautorin Sibel Ebru Yalcin, Wissenschaftlerin am Microbial Sciences Institute in Yale, gegenüber WordsSideKick.com.
Mit der zweiten Technik, der sogenannten Infrarot-Nanospektroskopie, identifizierten die Forscher spezifische Moleküle in den Nanodrähten anhand der Art und Weise, wie sie einfallende Strahlung streuten Infrarot Licht. Mit diesen beiden Methoden konnten die Forscher den „einzigartigen Fingerabdruck“ jeder Aminosäure in den Proteinen erkennen, aus denen sie besteht Geobacter charakteristische Nanodrähte, sagte Yalcin.
Das Team fand heraus, dass bei Anregung durch ein elektrisches Feld Geobacter produzieren eine bisher unbekannte Art von Nanodraht aus einem Protein namens OmcZ.
Hergestellt aus winzigen metallischen Bausteinen, sogenannten Hämen Eiweiß schufen Nanodrähte, die Strom 1.000-mal effizienter leiteten als typische Nanodrähte Geobacter entstehen im Boden und ermöglichen es den Mikroben, Elektronen über beispiellose Distanzen zu senden.
„Es war bekannt, dass Bakterien Elektrizität erzeugen können, aber niemand kannte die molekulare Struktur“, sagte Malvankar. „Endlich haben wir dieses Molekül gefunden.“
Lebende, atmende Batterien
Forscher haben verwendet Geobacter Kolonien, um kleine Elektronikgeräte mehr als ein Jahrzehnt lang mit Strom zu versorgen. Ein großer Vorteil dieser sogenannten mikrobiellen Brennstoffzellen ist ihre Langlebigkeit.
Bakterien können sich nahezu unbegrenzt reparieren und vermehren und erzeugen dabei eine kleine, aber konstante elektrische Ladung; in Eins Experiment der US-Marine , durchgeführt im Jahr 2008, verwendeten Forscher a Geobacter Brennstoffzelle, um eine kleine Wetterboje im Potomac River in Washington, D.C. mehr als neun Monate lang mit Strom zu versorgen, ohne Anzeichen einer Schwächung zu zeigen.
Die von diesen Brennstoffzellen bereitgestellte Ladung ist jedoch äußerst gering (die Boje der Marine wurde mit einer Leistung von etwa 36 Milliwatt oder Tausendstel Watt betrieben), was die Art der Elektronik, die sie mit Strom versorgen können, erheblich einschränkt.
Mit dieser neuen Forschung wissen Wissenschaftler nun, wie man mikrobielle Nanodrähte manipulieren kann, um sie stärker und leitfähiger zu machen. Diese Informationen könnten die Produktion von Bioelektronik sowohl billiger als auch einfacher machen, sagte Malvankar, und hoffentlich eine neue Generation umweltfreundlicher, bakterienbetriebener Batterien einleiten.
Wir sind noch weit davon entfernt, unsere iPhones mit einer Handvoll aufzuladen Geobacter , fügte er hinzu, aber die Kraft des mikroskopisch kleinen Stromnetzes unter unseren Füßen ist jetzt etwas einfacher zu begreifen.
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht von Live-Wissenschaft . Lesen Sie den Originalartikel Hier .