بكتيريا غامضة تصنع الأسلاك الكهربائية

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

بالنسبة للارس بيتر نيلسن ، بدأ كل شيء بالاختفاء الغامض لكبريتيد الهيدروجين. قام عالم الأحياء الدقيقة بجمع الطين الأسود ذي الرائحة الكريهة من قاع ميناء آرهوس في الدنمارك ، وألقاه في أكواب زجاجية كبيرة وأدخل مستشعرات دقيقة خاصة تكشف التغيرات في التركيب الكيميائي للطين.

في بداية التجربة ، كان التكوين مشبعًا بكبريتيد الهيدروجين - مصدر الرائحة ولون الرواسب. ولكن بعد 30 يومًا ، تحولت قطعة من الأوساخ إلى شاحب ، مما يشير إلى فقدان كبريتيد الهيدروجين. في النهاية ، أظهرت أجهزة الاستشعار الدقيقة أن الاتصال بالكامل قد انتهى. بالنظر إلى ما يعرفه العلماء عن الكيمياء الجيولوجية الحيوية للطين ، يتذكر نيلسن من جامعة آرهوس ، "لم يكن ذلك منطقيًا على الإطلاق".

قال إن التفسير الأول هو أن المستشعرات كانت خاطئة. لكن تبين أن السبب أكثر غرابة: البكتيريا التي تربط الخلايا تخلق كابلات كهربائية يمكنها توصيل تيار يصل إلى 5 سنتيمترات عبر الأوساخ.

يسمح التكيف الذي لم يسبق له مثيل في الميكروبات لهذه البكتيريا المزعومة بالتغلب على مشكلة كبيرة تواجهها العديد من الكائنات الحية التي تعيش في الوحل: نقص الأكسجين. وغيابه عادة ما يمنع البكتيريا من استقلاب المركبات مثل كبريتيد الهيدروجين للطعام. لكن الكابلات ، من خلال ربط الميكروبات بالرواسب الغنية بالأكسجين ، تسمح لها بالتفاعل لمسافات طويلة.

عندما وصف نيلسن الاكتشاف لأول مرة في عام 2009 ، كان زملاؤه متشككين. يتذكر فيليب ميسمان ، مهندس كيميائي في جامعة أنتويرب ، التفكير ، "هذا هراء محض." نعم ، كان الباحثون يعرفون أن البكتيريا يمكنها توصيل الكهرباء ، ولكن ليس على المسافات التي اقترحها نيلسن. يقول عالم الأحياء الدقيقة أندرياس تيسك Andreas Teske من جامعة نورث كارولينا في تشابل هيل: "كان الأمر كما لو أن عمليات التمثيل الغذائي الخاصة بنا يمكن أن تؤثر على مسافة 18 كيلومترًا".

ولكن كلما بحث المزيد من الباحثين عن الطين "المكهرب" ، كلما وجدوه في كل من المياه المالحة والعذبة. حددوا أيضًا نوعًا ثانيًا من الميكروبات الكهربائية المحبة للأوساخ: بكتيريا الأسلاك النانوية ، وهي خلايا فردية تنمي هياكل بروتينية يمكنها تحريك الإلكترونات لمسافات أقصر.

تم العثور على هذه الميكروبات الأسلاك النانوية في كل مكان ، بما في ذلك الفم البشري

الاكتشافات تجبر الباحثين على إعادة كتابة الكتب المدرسية ؛ إعادة التفكير في دور بكتيريا الطين في معالجة العناصر الرئيسية مثل الكربون والنيتروجين والفوسفور ؛ ومراجعة كيفية تأثيرها على النظم البيئية المائية وتغير المناخ.

يبحث العلماء أيضًا عن تطبيقات عملية ، واستكشاف إمكانات البكتيريا التي تحتوي على الكابلات والأسلاك النانوية لمكافحة التلوث وتشغيل الأجهزة الإلكترونية. يقول ميسمان: "إننا نشهد الكثير من التفاعلات داخل الميكروبات وبين الميكروبات التي تستخدم الكهرباء". "أسميها المحيط الحيوي الكهربائي."

تزدهر معظم الخلايا عن طريق أخذ الإلكترونات من جزيء واحد ، وهي عملية تسمى الأكسدة ، وتحويلها إلى جزيء آخر ، عادةً الأكسجين ، يسمى الاختزال. تتحكم الطاقة المكتسبة من ردود الفعل هذه في عمليات الحياة الأخرى. في الخلايا حقيقية النواة ، بما في ذلك الخلايا الخاصة بنا ، تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال هذه على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا ، والمسافات بينها صغيرة - فقط ميكرومتر. هذا هو السبب في أن العديد من الباحثين كانوا متشككين بشأن ادعاء نيلسن بأن بكتيريا الكابلات تحرك الإلكترونات عبر طبقة من الأوساخ بحجم كرة الجولف.

كان اختفاء كبريتيد الهيدروجين هو المفتاح لإثبات ذلك. تصنع البكتيريا مركبًا في الوحل ، يكسر بقايا النبات والمواد العضوية الأخرى ؛ في الرواسب العميقة ، يتراكم كبريتيد الهيدروجين بسبب نقص الأكسجين ، مما يساعد البكتيريا الأخرى على تكسيره. ومع ذلك ، لا يزال كبريتيد الهيدروجين يختفي في أكواب نيلسن. علاوة على ذلك ، ظهرت صبغة صدئة على سطح الأوساخ ، مما يدل على تكوين أكسيد الحديد.

عند الاستيقاظ في إحدى الليالي ، توصل نيلسن إلى تفسير غريب: ماذا لو أكملت البكتيريا المدفونة في الوحل تفاعل الأكسدة والاختزال ، متجاوزة بطريقة ما الطبقات الفقيرة بالأكسجين؟ ماذا لو ، بدلاً من ذلك ، استخدموا الإمداد الوفير من كبريتيد الهيدروجين كمانح للإلكترون ثم قاموا بتوجيه الإلكترونات نحو السطح الغني بالأكسجين؟ هناك ، في عملية الأكسدة ، يتكون الصدأ في حالة وجود الحديد.

ثبت أن العثور على ما يحمل هذه الإلكترونات أمر صعب. أولاً ، كان على Niels Riesgaard-Petersen من فريق Nielsen استبعاد احتمال أبسط: الجسيمات المعدنية في الرواسب تحمل الإلكترونات إلى السطح وتسبب الأكسدة. وقد أنجز ذلك بإدخال طبقة من خرز الزجاج التي لا توصل الكهرباء في عمود من التراب. على الرغم من هذه العقبة ، لا يزال الباحثون يجدون تيارًا كهربائيًا يتحرك عبر الوحل ، مما يشير إلى أن جزيئات المعدن لم تكن موصلة.

لمعرفة ما إذا كان الكبل أو السلك يحمل إلكترونات ، استخدم الباحثون بعد ذلك سلك التنجستن لعمل قطع أفقي عبر عمود الطين. انقطع التيار كما لو انقطع سلك. ضاقت أعمال أخرى حجم الموصل ، مما يشير إلى أنه يجب أن يكون قطره 1 ميكرومتر على الأقل. يقول نيلسن: "هذا هو الحجم الطبيعي للبكتيريا".

في النهاية ، كشفت الصور المجهرية الإلكترونية عن مرشح محتمل: ألياف بكتيرية طويلة ورفيعة ظهرت في طبقة من الخرز الزجاجي تم إدخالها في أكواب مليئة بالطين من ميناء آرهوس. يتكون كل خيط من كومة من الخلايا - تصل إلى 2000 - محاطة بغشاء خارجي مضلع. في الفراغ بين هذا الغشاء والخلايا المكدسة فوق بعضها البعض ، قامت مجموعة من "الأسلاك" المتوازية بتمديد الخيط على طوله بالكامل. استوحى المظهر الشبيه بالكابل من الاسم الشائع للميكروب.

تم تغيير Meisman ، وهو متشكك سابق ، بسرعة. بعد وقت قصير من إعلان نيلسن عن اكتشافه ، قرر ميسمان التحقيق في إحدى عيناته الخاصة من طين البحر. يتذكر ميسمان قائلاً: "لقد لاحظت تغير اللون نفسه في الرواسب التي رآها". "كان توجيه الطبيعة الأم أن تأخذ الأمر بجدية أكبر."

بدأ فريقه في تطوير أدوات وطرق للبحث الميكروبي ، وعمل أحيانًا بالاشتراك مع مجموعة Nielsen. كان من الصعب الذهاب. تميل الخيوط البكتيرية إلى التدهور بسرعة بعد العزل ، ولا تعمل الأقطاب الكهربائية القياسية لقياس التيارات في الموصلات الصغيرة. ولكن بمجرد أن تعلم الباحثون أن يختاروا خيطًا واحدًا ويربطون قطبًا كهربيًا فرديًا بسرعة ، "رأينا بالفعل توصيلية عالية" ، كما يقول ميسمان. وقال إن الكابلات الحية لا يمكنها منافسة الأسلاك النحاسية ، لكنها تطابق الموصلات المستخدمة في الألواح الشمسية وشاشات الهواتف المحمولة ، فضلًا عن أفضل أشباه الموصلات العضوية.

قام الباحثون أيضًا بتحليل تشريح بكتيريا الكابل. باستخدام الحمامات الكيميائية ، عزلوا الغلاف الأسطواني ، ووجدوا أنه يحتوي على 17 إلى 60 أليافًا متوازية ملتصقة ببعضها البعض بالداخل. قال Meisman وزملاؤه في مجلة Nature Communications في العام الماضي إن القشرة هي مصدر التوصيل. لا يزال تركيبه الدقيق غير معروف ، لكنه قد يكون قائمًا على البروتين.

يقول نيلسن ، الذي يرأس الآن مركز علم الأحياء الدقيقة الكهربية ، الذي أنشأته الحكومة الدنماركية في عام 2017: "إنه كائن حي معقد". من بين المشاكل التي يحلها المركز الإنتاج الضخم للميكروبات في الثقافة. يقول أندرياس شرام من المركز: "إذا كانت لدينا ثقافة نقية ، فسيكون من الأسهل كثيرًا" اختبار الأفكار حول التمثيل الغذائي للخلايا وتأثير البيئة على التوصيل. ستعمل البكتيريا المستزرعة أيضًا على تسهيل عزل أسلاك الكابلات واختبار تطبيقات المعالجة الحيوية والتكنولوجيا الحيوية المحتملة.

بينما يحير الباحثون حول البكتيريا الموجودة في الكابل ، يبحث آخرون عن لاعب رئيسي آخر في الوحل الكهربائي: البكتيريا القائمة على الأسلاك النانوية التي ، بدلاً من طي الخلايا في الكابلات ، تقوم بتنمية أسلاك بروتينية بطول يتراوح من 20 إلى 50 نانومتر من كل خلية.

كما هو الحال مع بكتيريا الكابل ، أدى التركيب الكيميائي الغامض للرواسب إلى اكتشاف ميكروبات الأسلاك النانوية. في عام 1987 ، حاول عالم الأحياء الدقيقة ديريك لوفلي ، الذي يعمل حاليًا في جامعة ماساتشوستس أمهيرست ، فهم كيفية إطلاق الفوسفات من مياه الصرف الصحي للأسمدة - وهي مادة مغذية تعزز تكاثر الطحالب - من الرواسب تحت نهر بوتوماك في واشنطن العاصمة. عملت وبدأت في إزالتها من الأوساخ. بعد زراعة واحدة ، تسمى الآن Geobacter Metallireducens ، لاحظ (تحت المجهر الإلكتروني) أن البكتيريا قد نمت روابط مع معادن الحديد القريبة. كان يشك في أن الإلكترونات تم حملها على طول هذه الأسلاك ، وفي النهاية اكتشف أن Geobacter نظمت تفاعلات كيميائية في الوحل ، وأكسدت المركبات العضوية ونقل الإلكترونات إلى معادن. هذه المعادن المختزلة تطلق الفوسفور وعناصر أخرى.

مثل نيلسن ، واجه لافلي شكوكًا عندما وصف ميكروبه الكهربائي لأول مرة. اليوم ، ومع ذلك ، فقد سجل هو وآخرون ما يقرب من اثني عشر نوعًا من الميكروبات ذات الأسلاك النانوية ، ووجدوها في بيئات أخرى غير الأوساخ. يحمل العديد من الإلكترونات من وإلى الجسيمات في الرواسب. لكن بعضها يعتمد على ميكروبات أخرى لتلقي الإلكترونات أو تخزينها. تتيح هذه الشراكة البيولوجية للميكروبات "الانخراط في أنواع جديدة من الكيمياء لا يستطيع أي كائن حي القيام بها بمفرده" ، كما تقول فيكتوريا أورفان ، عالمة الأحياء الجيولوجية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. بينما تحل بكتيريا الكابلات احتياجات الأكسدة والاختزال الخاصة بها من خلال نقلها لمسافات طويلة في الطين المؤكسج ، تعتمد هذه الميكروبات على التمثيل الغذائي لبعضها البعض لتلبية احتياجات الأكسدة والاختزال.

لا يزال بعض الباحثين يناقشون كيفية توصيل الأسلاك النانوية البكتيرية للإلكترونات ، لكن لوفلي وزملاؤه مقتنعون بأن المفتاح هو سلاسل من البروتينات التي تسمى بيلين ، والتي تتكون من أحماض أمينية دائرية. عندما خفض هو وزملاؤه كمية الأحماض الأمينية الحلقية في البلين ، أصبحت الأسلاك النانوية أقل موصلة. يقول لوفلي: "لقد كان رائعًا حقًا" ، لأنه من المقبول عمومًا أن البروتينات هي عوازل. لكن يعتقد البعض الآخر أن هذا السؤال أبعد ما يكون عن الحل. يقول اليتيم ، على سبيل المثال ، إنه على الرغم من "وجود أدلة دامغة … ما زلت لا أعتقد أن [توصيل الأسلاك النانوية] مفهوم جيدًا."

ما هو واضح هو أن البكتيريا الكهربائية موجودة في كل مكان. في عام 2014 ، على سبيل المثال ، اكتشف العلماء بكتيريا الكابلات في ثلاثة موائل مختلفة جدًا في بحر الشمال: في مستنقع ملح المد والجزر ، وفي حوض قاع البحر حيث تنخفض مستويات الأكسجين إلى الصفر تقريبًا في بعض المواسم ، وفي سهل موحل غمرته المياه بالقرب من البحر. …. دعم. (لم يجدوها في منطقة رملية يسكنها الديدان التي تفرز الرواسب وتعطل الكابلات). وفي مكان آخر ، وجد الباحثون دليلًا على الحمض النووي لبكتيريا الكابلات في أحواض المحيط العميقة التي تفتقر إلى الأكسجين ، ومناطق الينابيع الساخنة ، والظروف الباردة. الانسكابات ، وأشجار المانغروف وضفاف المد والجزر في كل من المناطق المعتدلة وشبه الاستوائية.

توجد بكتيريا الكابلات أيضًا في بيئات المياه العذبة.بعد قراءة مقالات نيلسن في عامي 2010 و 2012 ، قام فريق بقيادة عالم الأحياء الدقيقة راينر ميكنستوك بإعادة فحص عينات الرواسب التي تم حفرها خلال مسح تلوث المياه الجوفية في دوسلدورف بألمانيا. يتذكر Mekenstock ، الذي يعمل في جامعة Duisburg-Essen ، "لقد وجدنا [بكتيريا الكابل] بالضبط حيث اعتقدنا أننا سنجدها" ، في الأعماق التي ينضب فيها الأكسجين.

تنتشر بكتيريا Nanowire بشكل أكثر انتشارًا. وجدها الباحثون في التربة وحقول الأرز والأمعاء العميقة وحتى محطات معالجة مياه الصرف الصحي ، وكذلك في المياه العذبة والرواسب البحرية. يمكن أن توجد في أي مكان تتشكل فيه الأغشية الحيوية ، ويعد انتشار الأغشية الحيوية في كل مكان دليلًا إضافيًا على الدور الكبير الذي يمكن أن تلعبه هذه البكتيريا في الطبيعة.

تشير مجموعة متنوعة من بكتيريا الحمأة الكهربائية أيضًا إلى أنها تلعب دورًا مهمًا في النظم البيئية. على سبيل المثال ، من خلال منع تراكم كبريتيد الهيدروجين ، من المحتمل أن تجعل بكتيريا الكابل الأوساخ أكثر ملاءمة لأشكال الحياة الأخرى. وجدها ميكنستوك ونيلسن وآخرون على أو بالقرب من جذور الأعشاب البحرية والنباتات المائية الأخرى التي تطلق الأكسجين ، والذي ربما تستخدمه البكتيريا لتفكيك كبريتيد الهيدروجين. وهذا بدوره يحمي النباتات من الغازات السامة. وقال ميكنستوك إن الشراكة "تبدو مميزة للغاية للنباتات المائية".

يعتقد روبرت ألير ، عالم الكيمياء الحيوية البحرية في جامعة ستوني بروك ، أن البكتيريا يمكن أن تساعد أيضًا العديد من اللافقاريات تحت الماء ، بما في ذلك الديدان التي تبني جحورًا تسمح للماء المؤكسج بدخول الطين. وجد بكتيريا الكابلات تلتصق بجوانب أنابيب الدودة ، ويفترض أنها تستطيع استخدام هذا الأكسجين لتخزين الإلكترونات. في المقابل ، هذه الديدان محمية من كبريتيد الهيدروجين السام. يقول ألير ، الذي وصف الروابط في مقال نشر في يوليو 2019 في Science Advances: "تجعل البكتيريا [الجحر] أكثر ملاءمة للعيش".

تقول سايرا مالكين ، عالمة البيئة في مركز العلوم البيئية بجامعة ميريلاند ، إن الميكروبات تغير أيضًا خصائص الأوساخ. "إنهم مؤثرون بشكل خاص … مهندسو النظام الإيكولوجي." وتقول إن بكتيريا الكابلات "تنمو كالنار في الهشيم" ؛ وجدت أن السنتيمتر المكعب من الطين قد يحتوي على 2859 مترًا من الكابلات التي تثبت الجسيمات في مكانها ، مما يجعل الرواسب أكثر مقاومة للكائنات البحرية.

ووجد مالكين أن البكتيريا تغير أيضًا كيمياء الأوساخ ، مما يجعل الطبقات الأقرب إلى السطح أكثر قلوية والطبقات العميقة أكثر حمضية. وقالت إن تدرجات الأس الهيدروجيني يمكن أن تؤثر على "العديد من الدورات الجيوكيميائية" ، بما في ذلك تلك المرتبطة بالزرنيخ والمنغنيز والحديد ، مما يخلق فرصًا لميكروبات أخرى.

يقول الباحثون ، لأن مساحات شاسعة من الكوكب مغطاة بالطين ، فمن المحتمل أن يكون للبكتيريا المرتبطة بالكابلات والأسلاك النانوية تأثير على المناخ العالمي. على سبيل المثال ، يمكن لبكتيريا الأسلاك النانوية أن تأخذ الإلكترونات من المواد العضوية مثل الدياتومات الميتة ثم تنقلها إلى بكتيريا أخرى تنتج الميثان ، وهو أحد غازات الدفيئة القوية. في ظل ظروف مختلفة ، يمكن أن تقلل بكتيريا الكابلات من إنتاج الميثان.

يقول مالكين في السنوات القادمة ، "سنرى اعترافًا واسع النطاق بأهمية هذه الميكروبات في المحيط الحيوي". بعد أكثر من عشر سنوات بقليل من ملاحظة نيلسن للاختفاء الغامض لكبريتيد الهيدروجين من طين آرهوس ، قال: "إنه لمن المذهل التفكير فيما نتعامل معه هنا".

التالي: هاتف يعمل بأسلاك ميكروبية؟

سرعان ما فكر رواد الميكروبات الكهربائية في كيفية استخدام هذه البكتيريا.يقول لارس بيتر نيلسن ، عالم الأحياء الدقيقة بجامعة آرهوس: "الآن بعد أن علمنا أن التطور قد تمكن من إنشاء أسلاك كهربائية ، فسيكون من العار إذا لم نستخدمها".

أحد التطبيقات الممكنة هو الكشف عن الملوثات والتحكم فيها. يبدو أن ميكروبات الكابلات تزدهر في وجود مركبات عضوية مثل الزيت ، ويقوم نيلسن وفريقه باختبار احتمال أن تكون وفرة بكتيريا الكابلات تشير إلى وجود تلوث غير مكتشف في طبقات المياه الجوفية. لا تتحلل البكتيريا بشكل مباشر من الزيت ، لكن يمكنها أكسدة الكبريتيد الذي تنتجه البكتيريا الزيتية الأخرى. يمكنهم أيضًا المساعدة في التنظيف ؛ يتعافى هطول الأمطار بشكل أسرع من تلوث النفط الخام عندما يتم استعماره بواسطة بكتيريا الكابلات ، حسبما أفادت مجموعة بحثية أخرى في يناير في مجلة Water Research. في إسبانيا ، يقوم فريق ثالث بالتحقيق فيما إذا كانت بكتيريا الأسلاك النانوية يمكنها تسريع عملية تنظيف الأراضي الرطبة الملوثة. وحتى قبل أن تصبح البكتيريا القائمة على الأسلاك النانوية كهربائية ، فقد أظهروا وعدًا بتطهير النفايات النووية وخزانات المياه الجوفية الملوثة بالهيدروكربونات العطرية مثل البنزين أو النفثالين.

يمكن أن تؤدي البكتيريا الكهربائية أيضًا إلى ظهور تقنيات جديدة. يمكن تعديلها وراثيًا لتغيير أسلاكها النانوية ، والتي يمكن بعد ذلك قطعها لتشكيل العمود الفقري لأجهزة الاستشعار الحساسة القابلة للارتداء ، وفقًا لديريك لوفلي ، عالم الأحياء الدقيقة في جامعة ماساتشوستس (UMass) ، أمهيرست. "يمكننا تصميم أسلاك نانوية وتكييفها لتلائم المركبات ذات الأهمية على وجه التحديد." على سبيل المثال ، في العدد 11 من مجلة Lovely للأبحاث Nano Research ، وصف مهندس UMass Jun Yao وزملاؤه جهاز استشعار قائم على الأسلاك النانوية يكتشف الأمونيا بالتركيزات اللازمة للتطبيقات الزراعية والصناعية والبيئية والطبية الحيوية.

يمكن للأسلاك النانوية ، التي تم إنشاؤها كفيلم ، أن تولد الكهرباء من الرطوبة في الهواء ، ويعتقد الباحثون أن الفيلم يولد طاقة عندما يحدث تدرج رطوبة بين الحواف العلوية والسفلية للفيلم. (الحافة العلوية أكثر عرضة للرطوبة.) عندما تنفصل ذرات الهيدروجين والأكسجين في الماء بسبب التدرج ، تتولد الشحنة وتتدفق الإلكترونات. أفاد ياو وفريقه في دورية نيتشر يوم 17 فبراير أن مثل هذا الفيلم يمكن أن يولد طاقة كافية لإضاءة الصمام الثنائي الباعث للضوء ، وأن 17 من هذه الأجهزة المتصلة معًا يمكنها تشغيل الهاتف المحمول. هذا النهج هو "تقنية ثورية لتوليد طاقة متجددة ونظيفة ورخيصة" ، كما يقول Qu Lianti ، عالم المواد في جامعة Tsinghua. (البعض الآخر أكثر حذرًا ، مشيرًا إلى أن المحاولات السابقة لاستخراج الطاقة من الرطوبة باستخدام الجرافين أو البوليمرات لم تنجح.)

في النهاية ، يأمل الباحثون في تسخير القدرات الكهربائية للبكتيريا دون الاضطرار إلى التعامل مع الميكروبات التي يصعب إرضاؤها. على سبيل المثال ، أقنع الصيد المختبر المشترك والبكتيريا الصناعية Escherichia coli لصنع أسلاك نانوية. هذا من شأنه أن يسهل على الباحثين إنتاج الهياكل على نطاق واسع ودراسة تطبيقاتها العملية.