کشف مولکولی که امکان تولید الکتریسته را به باکتری‌ها می‌دهد

زوميت

بروزرسانی 1399/07/02 - 16:15

کشف مولکولی که امکان تولید الکتریسته را به باکتری‌ها می‌دهد

زوميت/ دانشمندان مولکول ويژه‌اي را شناسايي کرده‌اند که به باکتري‌ها اجازه مي‌دهد تا در بازدم خود الکتريسيته توليد کنند.
براي باکتري‌ها که فاقد دهان و سيستم تنفسي مانند ريه هستند، عمل تنفس کمي پيچيده‌تر از انسان انجام مي‌شود. در بدن انسان اکسيژن ازطريق دم وارد ريه‌ها شده و در بازدم به‌صورت دي اکسيد کربن خارج مي‌شود. «ژئوباکتر‌ها» نوعي از باکتري‌ها هستند که در تمام مناطق آب‌هاي زير زميني زندگي مي‌کنند. اين گروه از باکتري‌ها از زباله‌هاي آلي تغذيه و در بازدم خود الکترون‌ آزاد و به اين ترتيب جريان الکتريکي کمي توليد مي‌کنند.

اين الکترون‌ها که در بازدم آزاد مي‌شوند، هميشه به ماده‌اي براي تجمع در آن نياز دارند (معمولاً در يک ماده معدني فراوان در آب‌هاي زيرزميني مانند اکسيد آهن تجمع مي‌يابند) و ژئوباکتر‌ها ابزاري غيرمتعارفي براي اطمينان از رسيدن الکترون‌ها به اين ماده دارند. نيخيل مالوانکار، استاديار مرکز تحقيقات علوم ميکروبي دانشگاه ييل در کنتيکت گفت: «ژئوباکتر‌ها ازطريق بخشي که اساساً يک لوله تنفسي به شمار مي‌آيد که صدها برابر اندازه آن‌ها است، تنفس مي‌کند.»

اين لوله‌هاي تنفسي «نانوسيم» (nanowire) ناميده مي‌شوند. اگرچه اين رشته‌هاي ريز و رسانا اندازه‌اي ۱۰۰ هزار برابر کوچک‌تر از عرض موي انسان دارند، مي‌توانند الکترون‌ها را تا صدها يا هزاران برابر طول سلول يک ژئوباکتر منتقل کنند. به دليل وجود اين سازگاري، ژئوباکترها يکي از مهم‌ترين سيستم‌هاي تنفسي زمين به شمار مي‌آيند. در هر زمان مشخص، ميلياردها باکتري در کف درياها الکتريسيته توليد مي‌کنند.

در مطالعه جديدي که در ۱۷ آگوست در مجله Nature Chemical Biology منتشر شد، مالوانکار و همکارانش کشف کردند که چگونه مي‌توان اين انرژي را با يک شبکه قدرتمند ميکروبي ترکيب کرد. محققان با استفاده از تکنيک‌هاي پيشرفته ميکروسکوپي، «مولکول مخفي» را کشف کردند که به ژئوباکتر اجازه مي‌دهد در فواصل بسيار طولاني که قبلا در باکتري ديده نشده بود، تنفس کند. اين گروه از محققان همچنين دريافتند که با تحريک کلني‌هاي ژئوباکتر با يک ميدان الکتريکي، اين باکتري‌ها هزار برابر کارآمدتر از محيط طبيعي خود، انرژي الکتريکي را هدايت مي‌کنند.

براساس اين نتايج پژوهشگران بيان کردند که درک اين سازگاري‌هاي ذاتي و الکتريکي مي‌تواند گامي ‌اساسي در تبديل کلني‌هاي ژئوباکتر به باتري‌هاي زنده و تنفسي باشد. براي ساخت وسايل الکترونيکي مي‌توان از باکتري‌هاي توليدکننده الکتريسيته استفاده کرد.

عجيب‌ترين ميکروب
به‌گفته پژوهشگران اين مطالعه، در اعماق زمين و در خاکي مرطوب و فاقد اکسيژن، ژئوباکتر مي‌تواند در محيط‌هاي سختي زندگي کند که تعداد کمي ‌از ميکروب‌هاي ديگر مي‌توانند زنده بماند. نانوسيم‌ها که به ژئوباکترها امکان مي‌دهند در غياب اکسيژن تنفس کنند، براي زنده‌نگه‌داشتن اين باکتري‌ها روي زمين (جايي که گيرنده‌هاي الکتروني مانند اکسيد آهن به‌ندرت بيش از چند ميليونيوم متر با آن‌ها فاصله دارند) از اهميت ويژه‌اي برخوردار هستند. بااين‌حال، کلني‌هاي ژئوباکتر که در آزمايشگاه رشد مي‌کنند، هميشه امکان زندگي در مجاورت مواد معدني فراوان را ندارند.

در تحقيقات اخير، مالوانکار و همکارانش دريافتند که ژئوباکترهاي احياکننده سولفور که در آزمايشگاه رشد کرده‌اند، در هنگام قرار گرفتن در معرض يک الکترود کوچک يا ديسک انتقال‌دهنده الکتريسيته، از يک ترفند هوشمندانه ديگر براي زنده‌ماندن استفاده مي‌کنند. باکتري‌هاي تحريک‌شده با ميدان الکتريکي، در قالب بيوفيلم‌هاي متراکمي تجمع مي‌يابند. در اين حالت انبوهي از صدها ميکروب جداگانه‌ي به‌هم‌پيوسته، الکترون‌ها را ازطريق يک شبکه مشترک به حرکت در مي‌آورند.

مالوانکار در اين رابطه مي‌گويد: «اين باکتري‌ها مانند آپارتمان‌هاي بلند، به شکل صدها طبقه روي هم قرار مي‌گيرند و همه آن‌ها مي‌توانند يک شبکه الکتريکي مشترک داشته باشند و به‌طور مداوم الکترون‌ها را هدايت ‌کنند.» سؤال بزرگي که مالوانکار و همکارانش را با مشکل مواجه کرده، اين است که چگونه ميکروب‌ها در طبقه صدم اين ساختمان مي‌توانند الکترون‌ها را تا انتهاي اين سازه هدايت کرده و سپس ازطريق نانوسيم خارج کنند.

براي کشف اسرار نانوسيم، محققان اين مطالعه با استفاده از دو تکنيک ميکروسکوپي پيشرفته، محيط‌هاي کشت‌ آزمايشگاهي ژئوباکترها را مورد تجزيه و تحليل قرار دادند. اولين تکنيک ميکروسکوپي مورد استفاده، «ميکروسکوپ نيروي اتمي ‌با وضوح بالا» ناميده مي‌شود. اين ميکروسکوپ با لمس سطح مورد مطالعه با يک کاوشگر مکانيکي بسيار حساس، اطلاعات دقيق در مورد ساختار نانوسيم‌ها را جمع آوري کرد.
سيبل ابرو يالچين، نويسنده اصلي تحقيق در مرکز تحقيقات علوم ميکروبي ييل در مورد عملکرد اين ميکروسکوپ توضيح داد: «عملکرد اين ميکروسکوپ به نوعي شبيه خواندن خط بريل است، با اين تفاوت که مي‌تواند برجستگي‌هايي در حدود يک ميلياردم متر را مورد بررسي قرار دهد.»

محققان ازطريق تکنيک ميکروسکوپي دوم، به‌نام «نانو اسپکتروسکوپي مادون قرمز»، مولکول‌هاي خاصي را در نانوسيم‌ها براساس نحوه پراکندگي نور مادون قرمز ورودي شناسايي کردند. براساس گفته‌هاي يالچين، با اين دو روش، محققان «اثر انگشت منحصر‌به‌فرد» هر اسيد آمينه را در پروتئين‌هاي سازنده نانوسيم‌هاي ژئوباکتر مشاهده کردند.

تيم تحقيق به اين نتيجه رسيد، هنگامي‌ که ژئوباکتر توسط يک ميدان الکتريکي تحريک مي‌شود، يک نوع نانوسيم توليد مي‌کند که قبلا ناشناخته بود و از پروتئيني به‌نام «OmcZ» ساخته مي‌شود. اين پروتئين که از واحدهاي سازنده فلزي و کوچک به‌نام «هِم» (heme) ساخته شده است، نانوسيم‌هايي را ايجاد مي‌کند که هزار برابر کارآمدتر از نانوسيم‌هاي معمولي ژئوباکتر در خاک الکتريسيته را هدايت مي‌کند و به باکتري‌ها اجازه مي‌دهد که الکترون‌ها را تا فواصل زيادي هدايت کنند.
توانايي توليد الکتريسيته توسط باکتري‌ها در گذشته شناخته شده بود؛ اما ساختار مولکولي توليدکننده الکتريسيته در باکتري‌ها مشخص نبود که مالوانکار و همکارانش اين مولکول پروتئيني را شناسايي کردند.

باتري‌هاي زنده تنفسي
بيش از يک دهه است که محققان از کلني‌هاي ژئوباکتر براي تأمين انرژي ساختارهاي الکترونيکي کوچک استفاده مي‌کنند. مزيت اصلي اين سلول‌هاي سوختي ميکروبي، طول عمر آن‌ها است. باکتري‌ها مي‌توانند تقريبا به‌طور نامحدود خود را ترميم کرده و توليد مثل کنند و بار الکتريکي کوچکي را به‌طور مداوم ايجاد ‌کنند. در يک آزمايش نيروي دريايي ايالات متحده که در سال ۲۰۰۸ انجام شد، محققان از يک پيل سوختي ژئوباکتر براي تأمين انرژي يک بويه هواشناسي کوچک در رودخانه پوتامک واشنگتن دي سي براي بيش از ۹ ماه استفاده کردند، بدون اينکه هيچ نشانه‌اي از کاهش انرژي الکتريکي نشان دهد. بااين‌حال، شارژي که توسط اين پيل‌هاي سوختي تأمين مي‌شود، بسيار ناچيز است (قدرت بويه هواشناسي نيروي دريايي در حدود ۳۶ ميلي‌وات يا هزارم وات بود) و همين امر تأمين انرژي انواع وسايل الکترونيکي که توسط باکتري‌ها قابل تأمين است را محدود مي‌کند.

باتوجه‌به تحقيقات جديد، دانشمندان اکنون مي‌دانند که چگونه نانوسيم‌هاي ميکروبي را براي تقويت و رسانايي بيشتر دستکاري کنند. مالوانکار در اين مورد افزود: «اين اطلاعات مي‌تواند توليد ابزارهاي بيوالکترونيکي را ارزان‌تر و آسان‌تر کند و اميدوارم اين يافته، شروعي براي توليد نسل جديدي از باتري‌هاي مبتني بر باکتري و سازگار با محيط‌زيست باشد.» وي در پايان به اين نکته اشاره کرد: «ما هنوز تا امکان شارژ آيفون‌هاي خود با يک مشت ژئوباکتر فاصله داريم، اما درک قدرت شبکه الکتريکي ميکروسکوپي کمي‌ آسان‌تر شد.»