Bakterilerin Elektron Atarak Soluklanmasını Sağlayan Molekül Bulundu
Ağızsız, akciğersiz bakteriler için nefes almak, insanlara göre biraz daha karmaşıktır. Oksijen soluyoruz ve karbondioksiti soluyoruz. Her yerde bulunan, yeraltı sularında yaşayan bir bakteri türü olan Geobacter, organik atıkları yutar ve elektronları dışarı verir. Bu süreçte küçük bir elektrik akımı oluşturur. Bu hareketini hangi molekül sayesinde yaptığı keşfedildi.
Bu atık elektronlar her zaman gidecek bir yere ihtiyaç duyar. (genellikle demir oksit gibi bol miktarda yeraltı mineraline ) Geobacter’in oraya ulaştıklarından emin olmak için alışılmadık bir molekül aracı vardır.
Yale Üniversitesi’nin Connecticut’taki Mikrobiyal Bilim Enstitüsü’nde yardımcı doçent olan Nikhil Malvankar, Live Science’a “Geobacter, büyüklüklerinin yüzlerce katı olan dev bir şnorkelle nefes alıyor” dedi.
Bu “şnorkele” nanotel denir. Bu küçük, iletken lifler bir insan saçının genişliğinden 100.000 kat daha küçüktürler. Fakat elektronları tek bir Geobacter mikrobunun vücudunun yüzlerce ila binlerce katı uzunluğunca taşıyabilirler.
Bu adaptasyon sayesinde, Geobacter dünyadaki en etkileyici solunum cihazlarından biridir. (“Önünüzde 300 metre ileriye gidecek bir nefes veremezsiniz, değil mi?”)
Herhangi bir zamanda milyarlarca bakteri deniz tabanının altında elektrikle vızıldıyor. Şimdi, 17 Ağustos’ta Nature Chemical Biology dergisinde yeni bir çalışma yayınlandı. Malvankar ve meslektaşları bu enerjiyi güçlü, mikrobiyal bir güç şebekesinde nasıl birleştireceklerini buldular.
Gelişmiş mikroskopi tekniklerini kullanılarak, Geobacter’in daha önce bakterilerde görülmemiş çok uzun mesafelerde nefes almasına izin veren “gizli molekül” ortaya çıkarıldı.
Ekip ayrıca, Geobacter kolonilerini bir elektrik alanıyla uyararak , mikropların doğal ortamlarında olduğundan 1000 kat daha verimli elektrik ilettiğini de buldu.
Araştırmacılar, bu doğuştan gelen elektriksel uyarlamaları anlamak çok önemli. Çünkü Geobacter kolonilerini canlı, nefes alan pillere dönüştürmek için çok önemli bir adım olabilir, dedi.
Malvankar, “Bu keşfin ayaklarınızın altındaki bakterilerden elektronikler yapmak için kullanılabileceğine inanıyoruz” dedi.
Şok Edici Bir Mikrop
Çalışma yazarları, ıslak, oksijensiz topraklarda, derin yeraltında, Geobacter’in diğer mikropların çok azının yapabileceği zorlu ortamlarda hayatta kalabileceğini söyledi.
Oksijen yokluğunda nefes almalarına izin veren nanoteller, Geobacter mikroplarını, demir oksit gibi elektron alıcılarının nadiren bir metrenin milyonda birinden daha uzakta olduğu yerde canlı tutmak için çok önemlidir .
Bununla birlikte, laboratuvarda yetiştirilen Geobacter kolonileri her zaman bol minerallerin yakınında yaşama lüksüne sahip değildir.
Gelen önceki araştırmalarda, Malvankar ve arkadaşları laboratuvar yetiştirilen bulundu Geobacter sulfurreducens küçük elektrot, veya davranışlarda elektrik bir diske maruz kaldığında mikroplar oldukça akıllıca bir taktik tatbik ederler.
Elektrik alanı tarafından uyarılan mikroplar yoğun biyofilmler halinde bir araya gelirler. Yüzlerce mikroptan oluşan birbirine bağlı yığınlar, elektronları tek bir paylaşılan ağ üzerinden hareket ettirir.
Geobacter, Nanotel, Molekül
Malvankar, “Yüksek katlı apartmanlar gibi yığılıyorlar, yüzlerce kat yüksekliğinde.” dedi. “Ve hepsi aynı elektrik şebekesini paylaşabilir ve sürekli olarak elektron atabilir.” diye ekledi.
Malvankar ve meslektaşlarını kızdıran büyük soru, kendi ifadesiyle “yüksek binanın 100. katındaki” mikropların nasıl elektronları yığının en altına, sonra da bir nanotelden dışarı fırlatabildikleri. Elektronları, orijinal mikrobun vücut uzunluğunun binlerce katı bir mesafede etkili bir şekilde solumak, işte yaptıkları iş bu.
Malvankar, bu tür mesafelerin mikrobiyal solunumda “daha önce görülmediğini” söyledi ve zorlu ortamlarda hayatta kalma konusunda Geobacter‘in ne kadar eşsiz olduğunu vurguladı .
Nanotelin sırlarını keşfetmek için, yeni çalışmanın yazarları laboratuvarda yetiştirilen Geobacter kültürlerini en yeni iki mikroskopi tekniği kullanarak analiz ettiler .
Yüksek çözünürlüklü atomik kuvvet mikroskobu adı verilen ilki, son derece hassas bir mekanik prob ile yüzeylerine dokunarak nanotellerin yapısı hakkında ayrıntılı bilgi topladı.
Yale’nin Mikrobiyal Bilimler Enstitüsü’nden araştırma bilimcisi Sibel Ebru Yalçın, Live Science’a “Braille okumak gibi bir şey, ancak tümsekler metrenin milyarda biri.” Dedi.
Araştırmacılar, kızılötesi nanospektroskopi adı verilen ikinci teknikle, nanotellerdeki belirli molekülleri, gelen kızılötesi ışığı dağıtma şekillerine göre tanımladılar . Yalçın, bu iki yöntemle Geobacter’in imza nanotellerini oluşturan proteinlerdeki her bir amino asidin “benzersiz parmak izini” gördüklerini söyledi.
Ekip, bir elektrik alanı tarafından uyarıldığında, Geobacter’in OmcZ adlı bir proteinden yapılmış önceden bilinmeyen bir tür nanotel ürettiğini buldu.
Hemes adı verilen minik, metal yapı taşlarından oluşan bu protein , elektriği Geobacter’in toprakta oluşturduğu tipik nanotellerden 1.000 kat daha verimli ileten nanoteller oluşturdu. Mikropların benzeri görülmemiş mesafelere elektron göndermesine izin verdi.
Malvankar, “Bakterilerin elektrik üretebildiği biliniyordu, ancak kimse moleküler yapıyı bilmiyordu” dedi. “Sonunda, bu molekülü bulduk.”
Yaşayan, Nefes Alan Piller
Araştırmacılar, on yıldan uzun süredir küçük elektronik cihazlara güç sağlamak için Geobacter kolonilerini kullanıyorlar. Bu sözde mikrobiyal yakıt hücrelerinin büyük bir avantajı, uzun ömürlülükleridir.
Bakteriler, küçük ama sabit bir elektrik yükü oluşturarak kendilerini neredeyse sonsuza kadar onarabilir ve yeniden üretebilirler; 2008’de yapılan bir ABD Donanması deneyinde , araştırmacılar, herhangi bir zayıflama belirtisi göstermeden Washington, DC’nin Potomac Nehri’ndeki küçük bir hava şamandırasına güç sağlamak için bir Geobacter yakıt hücresi kullandılar.
Bununla birlikte, bu yakıt hücrelerinin sağladığı yük son derece küçüktür (Donanma şamandırası yaklaşık 36 miliwatt veya bir wattın binde biri güçle çalışır) ve güç sağlayabilecekleri elektronik türlerini ciddi şekilde sınırlar.
Bu yeni araştırma ile bilim adamları artık mikrobiyal nanotelleri daha güçlü ve daha iletken hale getirmek için nasıl manipüle edeceklerini biliyorlar. Malvankar, bu bilginin biyo-elektronik üretimini hem daha ucuz hem de daha kolay hale getirebileceğini söyledi. Umarız yeni nesil çevre dostu, bakteri ile çalışan pilleri başlatır.
Telefonlarımızı bir avuç Geobacter ile doldurmaktan hâlâ çok uzaktayız. Lakin bu araştırma ayaklarımızın altındaki mikroskobik elektrik şebekesinin gücünü kavramamızı oldukça kolaylaştırdı.
