Ученые обнаружили сотни электрогенерирующих бактерий

Ученые из калифорнийского университета Беркли обнаружили, что бактерия, вызывающая расстройство кишечника, Listeria monocytogenes, производит электричество, используя совершенно другой метод из известных электрогенных бактерий, и что сотни других видов бактерий используют этот же процесс.

Многие из этих бактерий являются частью микробиома кишечника человека, и многие,  являются патогенными. Бактерии, которые вызывают гангрену (Clostridium perfringens) и инфекции (Enterococcus faecalis) и некоторые болезнетворные стрептококковые бактерии, также продуцируют электричество. Другие электрогенные бактерии, такие как Lactobacilli, важны для ферментации йогурта, и многие из них являются пробиотиками.

«Тот факт, что так много бактерий, которые взаимодействуют с людьми, как патогены, или пробиотики, или существуют в нашей микробиоте или вовлечены в ферментацию продуктов человека, являются электрогенными, раньше упускался из вида», — сказал Дэн Портной, профессор молекулярной биологии, биологии растений и микробов. «Это может рассказать нам много о том, как эти бактерии заражают нас или помогают нам иметь здоровую пищеварительную систему».

Бактерии вырабатывают электричество по той же причине, что мы дышим кислородом: удаляют электроны, образующиеся во время метаболизма, и поддерживают производство энергии. В то время как животные и растения переносят свои электроны в кислород внутри митохондрий каждой клетки, бактерии в средах без кислорода -включая кишечник, а также чаны для брожения алкоголя и сыра или кислотные емкости — должны найти другой акцептор электронов. В геологической среде это часто был минерал — железо или марганец например — вне клетки. В каком-то смысле эти бактерии «дышат» железом или марганцем.

Перенос электронов из клетки в минерал требует каскада специальных химических реакций, так называемой внеклеточной цепи переноса электронов, которая переносит электроны как крошечный электрический ток. Некоторые ученые использовали эту цепочку, чтобы сделать батарею: вставьте в колбу эти бактерии и вы сможете вырабатывать электричество.

Недавно открытая внеклеточная система переноса электронов на самом деле проще, чем уже известная передаточная цепь, и, по-видимому, она используется бактериями только тогда, когда это необходимо, возможно, когда уровни кислорода низки. До сих пор эта простая цепочка переноса электронов была обнаружена у бактерий с одной клеточной стенкой — микробами, классифицированными как грамположительные бактерии, — которые живут в среде с большим количеством флавинов, которые являются производными витамина B2.

«Похоже, что клеточная структура этих бактерий и богатая витаминами экологическая ниша, которую они занимают, значительно облегчают и экономичнее переносят электроны из клетки», — говорят ученые. «Таким образом, мы считаем, что традиционно изученные минерально-дыхательные бактерии используют внеклеточный перенос электронов, потому что это важно для выживания, тогда как эти вновь идентифицированные бактерии используют его, потому что это «легко».

Исследователи использовали электроды для измерения электрического тока, который вытекает из бактерий — до 500 микроампер, что подтверждает, что они действительно является электрогенными. Фактически, они производят примерно столько же электроэнергии — около 100 000 электронов в секунду на клетку — как известные электрогенные бактерии.

Особенно интересно наличие этой системы в Lactobacillus, бактериями, важными для производства сыра, йогурта и квашеной капусты. Возможно, предполагают ученые, что электронный перенос играет роль в вкусе сыра и квашеной капусты. «Это целая большая часть физиологии бактерий, которые люди не осознавали, и это может быть потенциально использовано».

Есть еще много вопросов о том, как и почему эти бактерии разработали такую уникальную систему. Простота — легче переносить электроны через одну клеточную стенку, а не через две, и возможность — используя вездесущие молекулы флавина, чтобы избавиться от электронов, по-видимому, позволила этим бактериям найти способ выжить как в богатых, так и в бедных кислородом средах.

A flavin-based extracellular electron transfer mechanism in diverse Gram-positive bacteria, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0498-z ,https://www.nature.com/articles/s41586-018-0498-z