Нанопровода из бактерий

Ученые из Университета Массачусетса показали, что длинные белковые выросты некоторых бактерий проводят электрический ток не менее эффективно, чем дорогостоящие металлические наноструктуры.

То, что некоторые бактерии обладают длинными выростами — так называемыми пилями, которые способны проводить электроны, — известно уже несколько лет. Пили состоят из аминокислот, упакованных в филамент шириной 3–5 нм и длиной, превышающей размер самих бактерий в десятки раз. С их помощью отдельные микроорганизмы объединяются в биопленки с сетчатой структурой.

Открытие проводящих пилей произвело фурор в научной среде, ведь до того ученые считали, что биологические материалы очень плохо проводят электрический ток. То, что бактерии могут передавать электроны на огромные расстояния в десятки микрометров (да, огромные! — в мире все относительно), изменило представления о функционировании микробных сообществ почвы и донных осадков водоемов и… зажгло огонь в сердцах людей, занимающихся наноэлектроникой. Еще бы! дешевые быстрорастущие провода нано-размера — об этом можно только мечтать! Одна беда: эксперименты с пилями раз за разом давали противоречивые результаты, а свойства и величина их проводимости, так же как механизм, лежащий в ее основе, были абсолютно непонятны.

Проблема первых экспериментов заключалась, главным образом, в том, что условия, в которых они проводились, были далеки от природных. Поэтому Дерек Лавли (Derek Lovley) и его коллеги решили протестировать проводимость бактериальных нанопроводов in situ, т.е. прямо в биопленке. Их эксперименты были просты и изящны, как все гениальное. Ученые взяли анаэробных бактерий Geobacter sulfurreducens, знаменитых своими пилями и широко распространенных в природе, и стали выращивать их в стандартной камере для получения «бактериального» электричества. Такие камеры имеют анод и катод, изолированные друг от друга проницаемой для протонов (ионов водорода) мембраной. Они заполняются специальным буфером, содержащим субстрат для роста бактерий, например, ацетат.

Ацетат для большинства бактерий — то же самое, что еда для людей: он является источником углерода, необходимым для построения биомассы, а также источником электронов, которые участвуют в выработке энергии в процессе их переноса по ферментам дыхательной цепи. В последнем звене цепи электроны должны быть переданы на конечный акцептор, в качестве которого у людей выступает кислород, а у бактерий Geobacter в природе — оксиды железа. В эксперименте же в качестве конечного акцептора электронов выступал анод камеры, от которого электроны бежали дальше — на катод, создавая электрический ток. При этом ацетат окислялся до углекислого газа и протонов (Н+), которые поступали в камеру с катодом через проницаемую для них мембрану. Там они соединялись с прибежавшими электронами и образовывали газообразный водород.

Эксперимент длился больше месяца. По мере того, как бактерии облепляли золотые пластины анода и заполняли непроводящую щель между ними, ток между катодом и анодом увеличивался. При этом проводимость росла по мере увеличения толщины биопленки и была сопоставима с проводимостью аналогичных синтетических наноструктур.

Ученые решили доказать, что появляющаяся проводимость является свойством пилей, а не биомассы в целом. Для этого они выяснили величину экспрессии структурного белка пилей PilA в нескольких штаммах бактерий, с которыми проводились эксперименты. Оказалось, что чем больше экспрессия белка в клетках штамма, тем лучше его биопленка проводит ток.

Дальнейшие эксперименты открыли самое интересное: выяснилось, что проводимость пилей зависит от температуры и pH среды совсем так же, как зависит от этих факторов проводимость металлов. Понижение температуры и кислая среда усиливали проводимость, а ведь это свойство металлических проводников уже давно используется в электронике. Эксперименты Дерека Лавли и его команды впервые показали, что бактериальными нанопроводами можно управлять.

Вот только структура этих проводов, а, следовательно, и механизм проведения тока, по-прежнему остаются темным лесом. Конечно, у ученых есть догадки по этому поводу, но пока это всего лишь красивые гипотезы. Бактериальные нанопровода открывают новые горизонты в биоэлектронике. Возможно, люди создадут дешевые быстрорастущие наноматериалы с уникальными свойствами на основе синтезируемых бактериями пилей и научатся растить подобные им структуры, подсмотрев у природы еще одно инженерное чудо. В свою очередь, это повлечет за собой создание сложных микрочипов и сенсоров, наномоторов, нанобиотранзисторов и прочих нано…

А как вам возможность встраивания электронных устройств в живой организм и расширение его мыслительных способностей? Вы хотите научиться считать лучше и быстрее, чем ваш калькулятор? Хотите увеличить объем памяти, в конце концов? не через 100–200 лет, а уже совсем скоро? Может быть, вам это покажется всего лишь фантазией, но давайте доживем до завтра. Ведь история науки уже неоднократно видела превращения чудес в самую настоящую реальность.

Рис. 1 Сеть нанопроводов, синтезированных бактериями Geobacter.

Рис. 2 Схема камеры, использованной в экспериментах. Две золотые пластины с целью между ними представляют собой анод. Анод отделен от катода проницаемой для протонов мембраной (PEM). Слева расположена контрольная камера, анод которой не соединен с катодом. На нижнем рисунке показана биопленка, растущая на золотых пластинах анода и заполняющая непроводящее пространство между ними.

Рис.3 Связь между проводимостью биопленки и пилями бактерий. Красные столбики показывают проводимость (шкала слева), фиолетовые — экспрессию структурного белка пилей PilA (шкала справа). Экспрессия белка pilA выражена в процентах от его экспрес-сии в штамме DL-1. KN400, BEST, DL-1 — различные штаммы Geobacter.

Эта работа, представленная на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст» biomolecula.ru/content/888 заняла первое место в номинации «Лучшее новостное сообщение».