Rozsáhlé bakteriální sítě „nanodrátů“ vysvětlují tajemný elektrický proud na dně oceánu

Dánští vědci z Aarhuské univerzity učinili před třemi lety senzační objev, když jako první zaznamenali na dně oceánu elektrický proud. Nebylo jasné, co může tento jev způsobovat. Vědci však již tehdy tušili, že by se mohlo jednat o vzájemně propojené bakterie pomocí externí sítě, podobně jako se propojuje elektrická síť pomocí vodivých drátů. Jaký tajemný mechanizmus však za tím stojí, se tehdy ještě netušilo. Nyní vědci konečně záhadu rozluštili. Ukázalo se, že celý proces se odehrává uvnitř obřích bakterií, které jsou více než 1 cm dlouhé. Bakterie vytvářejí živé elektrické vedení, o kterém mohli doposud psát snad jen neobyčejně osvícení autoři sci-fi.

Každá z těchto „kabelových bakterií“, jak byly bakterie pracovně pojmenovány, obsahuje svazek izolovaných vláken, tzv. nanodrátů. Ty vedou elektrický proud z jednoho konce buňky na druhý a předávají ho dalším připojeným bakteriím.

Elektřina a mořská voda obvykle nejdou moc dohromady, proto byl tento objev pro vědce z Aarhauské univerzity velkým překvapením. Společně s vědci z Univerzity v Jižní Kalifornii se během následujících let snažili přijít na to, jak celý proces funguje a své převratné výsledky publikovali v říjnu 2012 v časopise Nature. „Naše výsledky ukazují, že elektrická propojení na dně oceánu jsou pevné biologické struktury vytvořené bakteriemi“, říká člen výzkumného týmu, doktor Christian Pfeffer. „Spoje lze však snadno přerušit natažením klasického tenkého drátku horizontálně na mořské dno, tím se propojení přeruší, podobně jako když bagr omylem překopne elektrický kabel“, dodává Christian Pfeffer.

Pod mikroskopem vědci poprvé spatřili dosud neznámý druh dlouhých, multibuněčných bakterií, které byly přítomné pouze tehdy, když byl naměřen elektrický proud. „Neuvěřitelná myšlenka, že právě tyto bakterie mohou být pomyslnými elektrickými kabely, se potvrdila, když jsme uvnitř bakterií spatřili útvary podobné síti drátků obalených membránou“, říká Nils Risgaard-Petersen.

Kilometry živých nanokabelů

Bakterie je asi 100x tenčí než lidský vlas. Celá bakterie funguje jako elektrický kabel s několika izolovanými nanodráty, velice podobné tomu co známe z elektrických kabelů, které denně používáme.

„Tyto unikátní biologické drátky vypadají na první pohled jednoduše, ovšem v nanoměřítku jsou to velmi komplexní struktury“, říká Jie Song z Aarhuské univerzity, který využil atomový silový mikroskop a nano-fabrikační techniku ke zmapování elektrických vlastností kabelových bakterií.

Na nenarušeném mořském dně na 1m² můžeme najít několik desítek tisíc kabelových bakterií. Schopnost vést elektrický proud má pro kabelové bakterie obrovské energetické výhody. Vytvořená energie totiž hravě překonává energii z pomalých anaerobních rozkladných procesů na dně moře.

V čem se ale tyto bakterie vlastně liší? Na rozdíl od ostatních známých bakterií, kabelové bakterie udržují velmi efektivní aerobní metabolismus v anaerobním prostředí. To samozřejmě na první pohled moc nedává smysl. Řetězce kabelových bakterií žijí v anaerobní části sedimentu mořského dna, kde je velké množství sirovodíku, který je pro ně potravou. Vědci zjistili, že bakteriím stačí, aby část buněk z řetězce „vyčuhovala“ nad mořské dno nebo alespoň do prvních několika milimetrů mořského sedimentu, kde je vyšší koncentrace kyslíku. Při aerobním spalování živin dochází při běžném bakteriálním metabolismu v rámci jedné buňky k přenosu elektronů na molekuly kyslíku a tento proces je energeticky velmi efektivní a pro bakterii výhodný. Kabelové bakterie dokáží pomocí nanodrátů uvnitř buněk přenášet elektrony z anaerobních částí na vzdálenosti několika centimetrů až k povrchu mořského dna, kde je přijmou molekuly kyslíku ve „vyčuhujících“ buňkách. Nejdříve se předpokládalo, že elektrony putují po povrchu buněk v cytoplasmatické membráně. Objev nanodrátů uvnitř těchto obřích bakterií byl tedy nečekaný. Právě tyto centimetr dlouhé nanodráty umožňují přenos na tak obrovskou vzdálenost. Jelikož se během metabolismu sirovodíku přenáší velké množství elektronů, vede celý proces k tvorbě elektrického proudu. Nicméně, i jen nepatrná disturbance mořského dna může způsobit přerušení těchto velmi křehkých bakteriálních spojů.

„Zjednodušeně lze říci, že na jednom konci kabelu jsou bakterie, které přijímají anaerobně sirovodík, z kterého elektrony putují k povrchu ke kyslíku v buňkách, které dýchají“, říká Prof. Lars Peter Nielsen z Aarhuské univerzity, který celý projekt vede.

Nyní je možné namítat, že několik centimetrů není mnoho, ale pokud se přeneseme do mikrobiálního měřítka, je to v porovnání s makrosvětem podobné, jako kdybychom museli natáhnout elektrické vedení na vzdálenost několika stovek kilometrů.

Biologická inovace

„Na jednu stranu, je to stále velmi neskutečné a fantastické zároveň. Na druhou stranu je to reálné a hmatatelné“, říká Prof. Lars Peter Nielsen. Společně s několika mezinárodními týmy, vědci z Aarhuské univerzity se už začali zabývat novými vzrušujícími otázkami od molekulární podstaty bioelektroniky až po roli kabelových bakterií v historii Země. Teprve budoucnost ukáže, zda tento převratný objev v mikrobiální evoluci budeme moci využít při konstrukci nových typů elektronických zařízení.

Autor: Ing. Jiří Bárta, Ph.D.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

Christian Pfeffer, Steffen Larsen, Jie Song, Mingdong Dong, Flemming Besenbacher, Rikke Louise Meyer, Kasper Urup Kjeldsen, Lars Schreiber, Yuri A. Gorby, Mohamed Y. El-Naggar, Kar Man Leung, Andreas Schramm, Nils Risgaard-Petersen, Lars Peter Nielsen. Filamentous bacteria transport electrons over centimetre distances. Nature, 2012; DOI: 10.1038/nature11586

ScienceDaily

http://www.sciencedaily.com/releases/2012/10/121024150803.htm

http://www.sciencedaily.com/releases/2012/10/121024133358.htm