Тайната на чревните бактерии: те произвеждат електричество

Учени от университета Бъркли в Калифорния откриха, че бактерията, причиняваща диария, Listeria monocytogenes, произвежда електричество, използвайки съвсем различна техника от тази на известните досега електрогенни бактерии, и че стотици други бактериални видове използват този процес.

Много от тези искрящи бактерии са част от човешката чревна микробиома и много от тях като причиняващите листериоза (а също и спонтанен аборт, например) са патогенни. Бактериите причиняващи гангрена (Clostridium perfringens) и болнични инфекции (Enterococcus faecalis), както и някои болестотворни стрептококови бактерии също произвеждат електричество. Други електрогенни бактерии като лактобацили, са важни при ферментацията на кисело мляко и много от тях са пробиотици.

„Фактът, че толкова много бактерии, които взаимодействат с хората, било като патогени или като пробиотици, в нашата микрофлора или участващи във ферментацията на човешки продукти, са електрогенни – това не се знаеше досега“, казва Дан Портной, професор по молекулярна и клетъчна биология в UC Berkeley.

„Ако ги познаваме по-добре, те могат да ни разкажат много за това, как тези бактерии ни заразяват или пък ни помагат да имаме здрави черва.“

Откритието ще бъде добра новина за тези, които в момента се опитват да създадат живи батерии от микроби. Такива „зелени“ биоенергетични технологии биха могли, например да генерират електроенергия от бактерии в заводи за третиране на отпадъци.

Бактериите генерират електричество поради същата причина, поради която ние дишаме кислород: за да премахнем електроните, произведени по време на метаболизма и да подпомогнем производството на енергия.

Докато животните и растенията пренасят електроните си в кислорода вътре в митохондриите на всяка клетка, бактериите в среда без кислород – включително червата ни, трябва да намерят друг приемник на електрони. В геоложка среда, това често са били минерали – например желязо или манган – извън клетката. В известен смисъл тези бактерии „дишат“ желязо или манган.

Прехвърлянето на електрони от клетката в минерал изисква каскада от специални химични реакции, така наречената верига на извънклетъчен електронен трансфер, която носи електроните като слаб електрически ток. Някои учени са използвали тази верига, за да направят батерия – залепят електрод в колба с такива бактерии и успяват да генерират електричество.

Новооткритата система за извънклетъчен трансфер на електрони всъщност е по-проста от вече известната верига на пренос и изглежда се използва от бактериите само когато е необходимо, може би когато нивата на кислород са ниски. Досега тази проста верига за предаване на електрони е намерена в бактерии с една клетъчна стена – микроби, класифицирани като грам-положителни бактерии, които живеят в среда с много флавини, които са производни на витамин В2.

„Изглежда, че клетъчната структура на тези бактерии и богатата на витамини екологична ниша, която заемат, прави значително по-лесно и икономически по-ефективно прехвърлянето на електрони от клетката“, казва водещият автор Сам Лайт. „По този начин ние смятаме, че конвенционално изследваните минерално-респираторни бактерии използват извънклетъчен трансфер на електрони, защото са от решаващо значение за оцеляването, докато тези новооткрити бактерии го използват, защото е „по-лесно“.

За да видят колко устойчива е тази система, екипът на Лайт се обединява с Каролайн Ай-Франклин от Националната лаборатория „Лорънс Бъркли“, която изследва взаимодействието между живите микроби и неорганичните материали за възможни приложения при улавянето и задържането на въглерода и генерирането на био-слънчева енергия.

Тя използва електрод за измерване на електрическия ток, който протича от бактериите – до 500 микро ампера, което потвърждава, че те наистина са електрогенни. Всъщност те произвеждат електричество около 100 000 електрона в секунда за клетка – като известните и досега електрогенни бактерии.

Екипът на Лайт е особено заинтригуван от наличието на тази система в Lactobacillus, бактерии, които са от решаващо значение за производството на сирене, кисело мляко и кисело зеле. Може би, предполага той, електронният транспорт играе роля във вкуса на сиренето, киселото мляко и киселото зеле.

„Това е голяма част от физиологията на бактериите, която хората обикновено не осъзнават че съществува и това може да доведе потенциално до манипулации“, казва той.

Лайт и Портной имат много повече въпроси за това как и защо тези бактерии са развили такава уникална система. Простотата е част от отговора – по-лесно е да се прехвърлят електрони през една клетъчна стена, а не през две. Възможността да се възползват от повсеместните флавинови молекули, за да се освободят от електроните – изглежда, че позволява на тези бактерии да намерят начин да оцелеят и в богата на кислород среда и в бедна кислородна среда.