Ученые из Вашингтонского университета рссказали, как фототрофный микроб «Rhodopseudomonas palustris» поглощает электроны из проводящих веществ, таких как оксиды металлов или ржавчина, чтобы уменьшить содержание углекислого газа.
Новое исследование, проведенное в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, объясняет клеточные процессы, которые позволяют любящему солнце микробу «съедать» электричество - перенося электроны, чтобы связать углекислый газ, который питает его рост.
Ученые из Вашингтонского университета под руководством Арпиты Бозе, доцента биологии в области искусств и наук, и Майкла Гузмана, кандидата наук , показали, как естественный штамм микробов «Rhodopseudomonas palustris» поглощает электроны из проводящих веществ, таких как оксиды металлов или ржавчина. Работа описана в статье от 22 марта в журнале Nature Communications.
Исследование основано на предыдущем открытии Бозе, что «R. Palustris» может потреблять электроны от оксидов ржавчины, процесс, называемый внеклеточным поглощением электронов. «R. Palustris» является фототрофным, что означает, что он использует энергию света для осуществления определенных метаболических процессов. Новое исследование объясняет клеточные процессы, где этот микроб сбрасывает электроны, которые он ест от электричества.
«Впервые наглядно показано, как эта деятельность - способность организма питаться электричеством - связана с фиксацией углекислого газа», - сказал Бозе, сотрудник «Packard», изучающий микробный метаболизм и его влияние на биогеохимический цикл.
Эти механистические знания могут помочь информировать усилия по использованию естественной способности микроба для устойчивого накопления энергии или других применений биоэнергии – это потенциал, который привлек внимание Министерства энергетики и Министерства обороны.
«Штаммы микробов «R. Palustris» можно найти в диких и экзотических местах, таких как ржавый мост в Вудс-Хоул, штат Массачусетс, где был изолирован этот микроб», - сказал Бозе. «Действительно, вы можете найти эти организмы повсюду. Это говорит о том, что внеклеточное поглощение электронов может быть очень распространенным явлением».
Гузман добавил: «Основная проблема заключается в том, что это анаэроб(организм умирающий в кислородной среде), поэтому вам нужно выращивать его в среде, в которой нет кислорода, чтобы он мог собирать световую энергию.»
В своей новой статье исследователи показали, что электроны электричества попадают в белки мембраны, которые важны для фотосинтеза. Удивительно, но когда они удалили способность микроба фиксировать углекислый газ, они наблюдали снижение его способности потреблять электроэнергию на 90 процентов.
«Он действительно хочет исправить углекислый газ с помощью этой системы», сказал Бозе. «Если вы заберете его - эту врожденную способность - он просто не захочет поглощать электроны». Для примера ученые сказали, что реакция в чем-то похожа на аккумулятор.
«Микроб использует электричество для зарядки своего окислительно-восстановительной системы, накапливая электроны и делая его сильно усиленным», - сказал Бозе. «Чтобы разрядить его, клетка уменьшает количество углекислого газа. Энергия для всего этого поступает от солнечного света. Весь процесс повторяется, позволяя клетке вырабатывать биомолекулы только с электричеством, углекислым газом и солнечным светом».
Команда Университета Вашингтона преодолела ряд технических препятствий для завершения этого исследования. Марк Мичем (Mark Meacham) из инженерной школы Маккелви помог разработать и изготовить микрофлюидные устройства, которые позволили исследователям отследить действия, которые происходили в клетках, когда бактерии питались от источников электричества. Команда также опиралась на поддержку со стороны сотрудников, включая Дэвида Фике в отделе наук о Земле и планетах, который помог Бозе и Гусману использовать вторичную ионную масс-спектрометрию, чтобы определить, как микроб использует диоксид углерода.
Новое исследование отвечает на вопросы фундаментальной науки и предоставляет множество возможностей для будущих применений биоэнергии.
«В течение долгого времени люди знали, что микробы могут взаимодействовать с аналогами электродов в окружающей среде, то есть с минералами, которые также заряжены», - сказал Гусман. «Но никто по-настоящему не думал, как этот процесс может быть реализован фотоавтотрофами. Такими, как организмы такого типа, которые фиксируют свой собственный углерод и используют свет для производства энергии. Это исследование заполняет плохо изученный пробел в этой области».
Лаборатория Бозе работает над использованием этих микробов для производства биопластика и биотоплива.
«Мы надеемся, что эта способность сочетать электричество и свет для сокращения выбросов углекислого газа может быть использована для поиска устойчивых решений энергетического кризиса», - сказал Бозе.
