Elektrický kanál ze živé buňky

Neklidné představy autorů science fiction překypují bytostmi, jejichž biologická těla důkladně prorůstají se syntetickými součástmi. Většinou bývají sveřepé, nepřístupné rozumným argumentům a velmi obtížně porazitelné. Jen zcela výjimečně se nechají přemluvit ke spolupráci, jako jeden nejmenovaný terminátor z kalifornských vládních kruhů anebo bývalý Borg Sedmá z Devíti. Pak se ale stávají kultovními postavami, obdivovanými mezi kolegy i nadšeným publikem. Naše realita je zatím bohužel v tomto ohledu mnohem nudnější. Živý svět a stroje jsou sice prakticky všude v neustálém těsném kontaktu, ten je ale zatím úplně náhodný a postrádá smysluplné propojení, které by umožnilo nějakou komunikaci. Je to škoda, napojení živých organismů na elektroniku má fantastický potenciál k vývoji úplně nových biotechnologií.

S významným průlomem přišel tým badatelů University of California, kterému šéfovala Caroline Ajo-Franklin ze slavné Lawrence Berkeley National Laboratory. Povedlo se jim otevřít fungující komunikační elektrický kanál, který posílá elektrony skrz buněčnou membránu k vnějšímu akceptoru, kterým jsou nanočástice rzi. Podle všeho je to opravdu velký krok do světa science fiction. Až doposud totiž podobné pokusy spočívaly v napojení buněk na ostré objekty a většinou končily rychlou smrtí dotyčných buněk. Přeprava elektronů přes buněčnou membránu ven z buněk přitom není vůbec nic jednoduchého. Může to rozvrátit metabolismus buňky nebo ji i zcela zlikvidovat.

Ajo-Franklinová s kolegy proto hledali mikroorganismy, jejichž metabolické dráhy by jim co nejvíce usnadnily elektrické propojení buňky s vnějším světem. Nakonec je našli v mořských a půdních bakterií kmene Shewanella oneidensis MR-1 z linie gamaproteobakterií, které dovedou redukovat těžké kovy v prostředí bez kyslíku. Bakterie Shewanella oneidensis byly poprvé izolovány roku 1988 z jezera Oneida, největšího jezera amerického státu New York. Mají úžasně plastický metabolismus, díky němuž zvládají aerobní i anaerobní prostředí. Kmen MR-1 odborníci pojmenovali přímo podle schopnosti redukovat kovy (metal reducing), protože tyto shewanely zpracují sloučeniny železa, olova a snad i uranu, kromě toho také sírany, nitráty a chromany. S jemnou nadsázkou lze říct, že vlastně dýchají kovové materiály. Součástí jejich metabolické výbavy je i technologie přenosu elektronů do okolního prostředí. Ajo-Franklinová a spol. ze shewanel kmene MR-1 použili kus jejich DNA, která kóduje část dráhy pro přenos elektronu ven z buňky. Vytvořili z něho něco jako úhledné genetické DVD a vložili jej do laboratorních mazlíčků E. coli.

Shewanelly i jiné bakterie mohou v prostředí bez kyslíku využívat k dýchání oxidy železa. Pro tento životní styl si vyvinuly mechanismy zajišťující přenos elektrického náboje do anorganických minerálů v mořských hlubinách nebo v půdě. Když v Berkeley Labs přenesli část jejich metabolického aparátu do E. coli, ukázalo se, že takto upravené bakterie zvládnou poměrně zdatně redukovat ionty železa i nanočástice oxidů železa a to osmkrát, respektive čtyřikrát rychleji, než jejich neupravené protějšky.

Tento průlomový počin je součástí pozoruhodného projektu amerického Ministerstva energetiky, jehož cílem je domestikovat organismy na buněčné i podbuněčné úrovni. Pokud by se to povedlo, tak bychom najednou mohli využít nejrůznější schopnosti mikroorganismů, například jejich energetické články přeměňující světlo nebo chemické sloučeniny na energii, jejich takřka magické dovednosti v syntéze nejrůznějších molekul nebo také možnosti do určité míry stavět a opravovat sebe sama. K tomu všemu je potřeba s mikroorganismy sofistikovaně komunikovat na molekulární úrovni. Výzkum týmu z Berkeley Labs je proto významným krokem na cestě k ochočeným mikro-kyborgům, kteří by nám mohli vyřešit některé palčivé problémy blízké budoucnosti. Podle člena badatelského týmu Jaye Grovese byly dosavadní pokusy strkat do živých buněk námi vyrobené elektrody něco jako snažit se nakrmit zasouváním prstů do elektrické zásuvky. Proto oni sami lstivě nabourali buněčný systém přenosu elektronů.

Ajo-Franklinová a spol. teď plánují vložit svoje genetické DVD s instrukcemi pro kanál přenášející elektrony do fotosyntetických bakterií. Ty by se pak s trochou štěstí mohly proměnit v laciné a nenáročné solární baterie. Další možností je upravit tímto způsobem metabolismus bakterií, které průmyslově vyrábějí farmaceutické produkty. Mnohé z nich totiž provozují fermentaci, která vyžaduje spoustu nákladného kyslíku. Pokud by byly geneticky modifikované zmíněným genetickým balíčkem, tak by nepotřebovaly kyslík a k dýchání by využívaly oxidy železa, čili vlastně rez, které je všude dost.

Jak je vidět, kolem elektrických bakterií se točí spousta velmi zajímavých konceptů, které by mohly přinést zcela nové technologie. Podle všeho jsme o elektrických bakteriích ještě zdaleka neslyšeli poslední slovo.

Autor: RNDr. Stanislav Mihulka Ph.D, PřF JU, České Budějovice

Použité zdroje:

(orig.) PNAS online 19.10. 2010.

El-Naggar et al. (2010): Electrical transport along bacterial nanowires from Shewanella oneidensis MR-1, PNAS, 107, 42: 18127-18131

Wikipedia (Shewanella oneidensis)

Obrazové přílohy:

Caroline Ajo-Franklin (vpravo nahoře) s kolegyní. http://cdn.physorg.com/newman/gfx/news/hires/3-berkeleylabs.jpg

Shewanella oneidensis, kmen MR-1. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/22/Shewanella_oneidensis.png

Bakteriální komplexy pro přenos elektronů ven z bunky. http://cdn.physorg.com/newman/gfx/news/hires/2009/12-scientistssh.jpg