Как бактерии проводят электричество

Электропроводящие выросты на поверхности бактериальных клеток устроены подобно обычным электрическим проводам – с проводящей внутренней частью и изолирующей обмоткой.

У бактерий рода Geobacter, открытых в конце 80-х годов прошлого века, есть несколько примечательных особенностей. Они живут в почве и на дне водоёмов – там, где нет кислорода, который геобактеры не любят, будучи строгими анаэробами. При этом энергию они получают, окисляя разнообразные органические вещества, включая нефтяные углеводороды, и металлы, в том числе и радиоактивные, вроде урана.

Окисляя субстрат, бактерии отбирают у него электроны и передают его по сложной цепочке белков. Во время этого путешествия электронов происходят биохимические реакции, в которых энергия запасается в химической форме, удобной и доступной для клетки. Образно говоря, электронный поток крутит колёса белковой энергетической станции.

Но электронный поток нужно в итоге куда-то сбрасывать. Бактерии рода Geobacter используют для этого серу, оксиды железа и другие соединения других металлов. И вот со сбросом электронов связана другая, ещё более любопытная особенность геобактеров. Несколько лет назад исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте обнаружили, что биоплёнки бактерий Geobacter sulfurreducens проводят электроны так же хорошо, как искусственные металлические наноструктуры. Дальнейшие эксперименты показали, что электричество в бактериальных биоплёнках бежит по белковым нитям, растущим на поверхности клеток. То есть через эти нити бактерии отводят электроны, оторванные от окисляемого субстрата, передавая их наружу, на другой субстрат, который готов их принять – то есть на серу, на оксиды железа и т. д.

Возник вопрос, как устроены бактериальные провода. С одной стороны, было бы логично, если бы проведением электронов занимались белки цитохромы. Именно они стоят в электронных цепях фотосинтеза и клеточного дыхания (так называют те самые энергетические реакции, без которых не может обойтись ни бактерия, ни растение, ни человек). Если цитохромы и так умеют проводить электроны, почему бы им не поработать на отведение электронного потока наружу?

Однако несколько лет назад сотрудники Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории опубликовании статью, в которой утверждали, что, по крайней мере, у бактерии G. sulfurreducens электрические провода состоят из белка пилина, который образует выросты-пили или ворсинки. Пили разных типов есть у многих бактерий, и функций у пилей тоже много, почему бы им и ток не проводить? Тем более, что структура ворсинки, сложенной их множества молекул пилина, как будто это позволяла: теоретически электроны могли бы перескакивать в ворсинках от одних ароматических аминокислот к другим.

Прошло ещё какое-то время, и вот на днях в журнале Cell появилась работа исследователей из Йеля и Виргинского университета, которые решили повнимательнее присмотреться к электропроводящим ворсинкам-пилям G. sulfurreducens. И оказалось, что эти ворсинки сделаны всё же не из пилина, а из одного из белков-цитохромов – OmcS. Все цитохоромы содержат гем – своеобразную молекулу в молекуле, а гем, в свою очередь, содержит атом железа. Гем с железом помогает цитохромам принимать электроны и передавать их дальше – тому, кто готов их принять.

Одна молекула OmcS удерживает шесть гемов. При этом у цитохромовых нитей G. sulfurreducens особая структура: молекулы белков развёрнуты так, чтобы гемы были в центре нитей и стояли рядом друг с другом в определённой ориентации – чтобы электронам было недалеко прыгать между ними. В результате получается что-то вроде настоящего провода, у которого металлическая проводящая часть обёрнута в изолирующую обмотку, только тут роль проводящей части играют гемы с железом, а роль изоляции – белковая часть цитохромовых молекул.

Интерес к G. sulfurreducens и другим представителям геобактеров вполне понятен – может быть, их белковые провода можно как-то использовать в новейшей электронике. Кроме того, как мы говорили в начале, геобактеры добывают энергию из таких веществ, которые часто оказываются загрязнителями среды, поэтому, возможно, эти бактерии можно приспособить к экологической очистке почвы и воды.