Отыскивая и изучая бактериальные культуры, способные вырабатывать электричество, в различных экзотических средах вроде глубинных шахт или дна озер, ученые упустили из виду гораздо более близкий источник электроэнергии: человеческий кишечник.
Специалисты из Калифорнийского университета в Беркли установили, что вид Listeria monocytogenes (известный, в основном, как возбудитель опасной диареи) генерирует электричество способом, который принципиально отличается от ранее известного механизма электрогенеза у бактерий, и что сотни других бактериальных культур используют аналогичный, до сих пор не бывший известным процесс.
Многие из этих «искрящих» бактерий являются частью кишечного микробиома человека; кроме того, многие, – например, кишечные клеточные паразиты, вызывающие листериоз и могущие стать причиной выкидыша, – являются патогенами. Бактериальные возбудители гангрены (Clostridium perfringens) и госпитальных инфекций (Enterococcus faecalis), некоторые болезнетворные стрептококки, как оказалось, также вырабатывают электричество. К прочим электрогенным культурам относятся лактобациллы, важные участники ферментных процессов, и некоторые пробиотики.
«То, что столь многие бактерии, которые взаимодействуют с человеком, являются патогенами, пробиотиками, частью микробиома или ферментативным ингредиентом в пищевой промышленности, вдобавок еще и вырабатывают электричество, – этот факт до сих пор был совершенно упущен»,
– говорит сотрудник Калифорнийского университета в Беркли Дэн Портной, профессор молекулярной и клеточной биологии, а также растительной микробиологии.
«Это должно бы многое поведать нам о том, как одни такие бактерии инфицируют нас, а другие, наоборот, помогают сохранять кишечник здоровым».
Открытие станет хорошей новостью для тех, кто занимается созданием «живых» бактериальных культур. Такого рода «зеленые» биотехнологии могли бы, например, с помощью бактерий генерировать электроэнергию на фабриках по переработке отходов.
Сообщение о результатах исследования было опубликовано в интернете как аннотация печатной публикации, которая запланирована на 4 октября 2018 года в журнале «Nature».
Бактерии производят электричество по тем же причинам, какие заставляют нас дышать кислородом: чтобы удалить остаточные электроны, образующиеся в ходе метаболизма, и поддержать энергобаланс. В то время как животные и растения связывают свои электроны с кислородом внутри митохондрий в каждой клетке, бактерии в анаэробных средах (включая наш кишечник, винодельные и сыродельные чаны, а также кислые шахтные воды) должны искать иной акцептор электронов. В геологических средах эту роль обычно играет какой-либо минерал, – железная или марганцевая руда, например, – вне самих бактерий. В определенном смысле можно сказать, что такие бактерии дышат железом или марганцем.
Перенос электронов из клетки в минерал требует каскада особых химических реакций, – т.н. экстрацеллюлярной трансферной цепи, – в результате чего создается крошечный электрический ток. Некоторые ученые уже пытались воспользоваться этой цепочкой для создания батареек: вставьте электрод в пробирку с бактериями, говорили они, и вы получите электрогенератор.
Только что открытая система экстрацеллюлярного, внеклеточного переноса электронов оказалась проще ранее известной цепи, и бактериями она используется, по-видимому, только в случае необходимости, – возможно, в условиях низкого содержания кислорода. На сегодняшний день эта простая система переноса электронов обнаружена у микроорганизмов с однослойной клеточной мембраной (классифицируемых как грамположительные бактерии), которые живут в средах, богатых флавином, – одним из производных витамина В2.
В сотрудничестве со специалистами из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли было установлено, что бактерии испускают электрический ток силой до 500 микроампер, – что подтверждает их электрогенность. Фактически, этот упрощенный процесс производит столько же электричества (каждой клеткой примерно 100 000 электронов в секунду), сколько и известные ранее электрогенные бактерии.
Исследователи в особенности заинтригованы наличием этой системы в лактобациллах, – молочнокислых бактериях, играющих ключевую роль в производстве сыра, кефира и квашеной капусты. Возможно, именно транспорт электронов придает особый вкус подобным продуктам.
«Это огромная часть физиологии бактерий, о существовании которой люди даже не догадывались. И этой частью в перспективе можно будет манипулировать»,
– размышляет один из соавторов работы Сэм Лайт.
На самом деле Д.Портной и С.Лайт задаются множеством вопросов о том, как и почему у определенных бактерий развился этом уникальный механизм. Простота (через однослойную клеточную мембрану электроны передавать проще, чем через двуслойную) и наличие возможности (воспользоваться вездесущими молекулами флавина для того, чтобы избавиться от лишних электронов), по-видимому, позволили найти этим бактериям способ выживания как в аэробных, так и в анаэробных средах.
