Определив, как эти бактерии выбрасывают электроны вовне, исследователи предлагают взглянуть на ранее скрытую стратегию бактериальной жизни. Эта работа, объединяющая биологию с электрохимией, закладывает основу для будущих технологий, которые используют уникальные возможности этих микроскопических организмов.

"Наше исследование не только разрешает давнюю научную загадку, но и указывает на новую и потенциально широко распространенную стратегию выживания в природе", - сказал Аджо-Франклин, профессор биологических наук, директор Института синтетической биологии Райса и научный сотрудник Техасского института профилактики рака и исследований (CPRIT).

Объяснено электрическое дыхание

Большинство современных организмов полагаются на кислород для усвоения пищи и высвобождения энергии. Кислород служит конечным акцептором электронов в цепи реакций, вырабатывающих энергию. Но бактерии, которые намного старше современных организмов, таких как люди и растения, развили другие способы дыхания в условиях недостатка кислорода, включая глубоководные жерла и кишечник человека.

Исследователи обнаружили, что некоторые бактерии используют природные соединения, называемые нафтохинонами, для переноса электронов на внешние поверхности. Этот процесс, известный как внеклеточное дыхание, имитирует то, как батареи разряжают электрический ток, позволяя бактериям процветать без кислорода.

Ученые давно наблюдали за этим необычным способом дыхания и использовали его в биотехнологии как нечто вроде черного ящика. Теперь команда под руководством Райса раскрыла его механизм - прорыв, который предполагает, что внеклеточное дыхание может быть гораздо более распространенным в природе, чем считалось ранее.

"Этот недавно открытый механизм дыхания является простым и изобретательным способом выполнения работы", - сказал Бики Бапи Кунду, докторант Райс и первый автор исследования. "Нафтохиноны действуют как молекулярные курьеры, выводя электроны из клетки, чтобы бактерии могли расщеплять пищу и вырабатывать энергию".

Имитация жизни без воздуха

Исследователи Райс сотрудничали с лабораторией Палссона в Калифорнийском университете в Сан-Диего, чтобы проверить свои выводы. Используя передовое компьютерное моделирование, они смоделировали рост бактерий в среде, лишенной кислорода, но богатой проводящими поверхностями.

Моделирование показало, что бактерии действительно могут поддерживать себя за счет внешнего разряда электронов. Дальнейшие лабораторные тесты подтвердили, что бактерии, помещенные на проводящие материалы, продолжали расти и вырабатывать электричество, эффективно дыша через поверхность.

Этот междисциплинарный подход углубил понимание универсальности бактериального метаболизма и открыл метод электронного мониторинга поведения бактерий в режиме реального времени и воздействия на него.

Применение в чистых технологиях и за их пределами

Это фундаментальное открытие имеет далеко идущие практические последствия. Биотехнологические процессы, такие как очистка сточных вод и биопроизводство, могут быть значительно улучшены за счет более эффективного управления электронным дисбалансом. Бактерии, выделяющие электричество, могли бы устранить эти дисбалансы, чтобы поддерживать эффективную работу систем.

"Наша работа закладывает основу для использования углекислого газа с помощью возобновляемой электроэнергии, где бактерии функционируют аналогично растениям, использующим солнечный свет для фотосинтеза", - сказал Аджо-Франклин. "Это открывает двери для создания более умных и устойчивых технологий, в основе которых лежит биология".

Технология может также позволить использовать биоэлектронные датчики в условиях недостатка кислорода, предлагая новые инструменты для медицинской диагностики, мониторинга загрязнения окружающей среды и исследования дальнего космоса.

Соавторами этого исследования являются Джаянт Кришнан, Ричард Шубин, Арджун Патель, Бернхард Палссон и Дэниел Зелински из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Исследование финансировалось CPRIT и фондом Novo Nordisk.