Бактерии, которые питаются чистой энергией, меняют наши представления о жизни

По оценкам ученых, к этому моменту исследован всего 1% микробного мира, с которым мы делим нашу планету. Биологи продолжают с энтузиазмом изучать микроорганизмы, потому что каждый новый шаг в этой области знаний обещает огромное количество неизвестной ранее информации. Одно из недавно сделанных открытий — бактерии, которые питаются электричеством и способны дать нам подсказки для поиска жизни на других планетах. Статью о них опубликовал Quanta Magazine.

Исследователи только-только начинают изучать и понимать эти организмы. Целый сегмент жизни, к которому принадлежат поедающие электричество бактерии, раньше, в сущности, игнорировали, потому что они живут в труднодоступных местах — бурлящих подводных кратерах, богатых минералами жилах под поверхностью планеты, слоях отложений на океанском дне — и не любят размножаться вне естественной среды обитания. Тем не менее недавние исследования указывают на гипотетическое микробное изобилие.

В 2013 году со дна моря в районе острова Каталина у берегов Калифорнии ученые достали внушительный набор (30 новых видов) микроорганизмов, которые поглощают или вырабатывают электроны, “поедая” минералы и металлы. Ранее не было известно, что эти бактерии могут питаться неорганическими материалами. В заброшенной золотодобывающей шахте в горах Блэк-Хилс (штат Южная Дакота) была сделана другая подобная находка: биофизики Университета Южной Каролины “поймали” бактерии на электроды из углеродного волокна.

Прежде ученые не знали, что пожирающих электричество бактерий можно приманивать на электроды, помещенные в воду. Теперь предполагается, что неизученные микроорганизмы могут быть обнаружены в огромном количестве мест с подходящими условиями — там, где много минералов, но мало кислорода. Как микроб, сидя на куске металла, “съедает” электрон? Как он возвращает электрон назад, когда получил, что хотел? На эти вопросы наука только начинает искать ответы.

Любому живому существу требуется энергия, которую оно поглощает из внешнего мира, хранит и отдает, и электроны — то, что питает мир. Лауреат Нобелевской премии по физиологии или медицине Альберт Сент-Дьёрди заметил по этому поводу, что “жизнь — это не более чем электрон в поисках места для отдыха”. Микроорганизмы, которые так занимают биологов и биофизиков, относятся к литоавтотрофам, это экстремофилы, способные добывать энергию из неорганических субстанций, например железа, серы или марганца. В теории в подходящих условиях бактерии должны быть способными выжить на одном только электричестве.

Однако способности организмов поглощать электроны (прямой перенос) ставят в тупик, потому что они, как пишет Quanta, идут наперекор законам биофизики. Дело в том, что мембраны, в которых находятся клетки, должны служить изоляцией, через которую — как считалось — заряженная частица пройти не способна. Никто не хотел верить, что бактерия может взять электрон извне клетки и забрать его внутрь. И все же это происходит, и недавно ученые это признали.

Больше 20 лет исследователи знали о существовании бактерий, выделяющих электроны, но не понимали, как происходит этот процесс. Стоящий за этим молекулярный механизм биологи открыли в 2006 году: троица специальных белков в мембране клетки формирует проводящий мостик, который позволяет электрону выйти наружу. При этом до сих пор научное сообщество спорит о том, самостоятельно ли элементарная частица проходит через мембрану, или у нее появляется “сопровождающий”.

После этого ученые предположили, что, раз бактерии могут выделять электроны, возможно, они могут и поглощать их в качестве источника питания. Начались исследования метаногенов — одноклеточных, производящих метан, — и в 2009 году команда Брюса Логана, инженера-эколога из Университета штата Пенсильвания, впервые показала, что существуют метаногены, способные жить (и вырабатывать свой метан), питаясь только энергией с электрода. Появилось предположение, что для проведения электронов через мембрану внутрь бактерии используют молекулярный мост, похожий на тот, что был обнаружен в 2006-м.

Это предположение оставалось предметом дискуссий до 2015 года, когда микробиолог Стэнфордского университета Альфред Спорманн показал, что микроорганизмы могут выжить на электродах, не питаясь при этом электронами напрямую. В ходе экспериментов с метаногеном Methanococcus maripaludis Спорманн выяснил, что микроорганизм выделяет специальный фермент, который на поверхности электрода объединяет электрон с протоном из воды. В результате реакции получается атом водорода — популярный источник пищи для метаногенов.

По мнению ученых (и Спорманна в том числе), помимо такого механизма метаногены должны владеть и инструментами для непосредственного питания электричеством. “Наличие альтернативы прямому переносу электронов не означает, что прямой перенос не существует”, — говорит Ларгус Ангенент, президент Международного общества микробной электрохимии и технологий (International Society for Microbial Electrochemistry and Technology, ISMET). Как пишет Quanta, Спорманн утверждает, что уже нашел микроорганизм, умеющий питаться электронами без посредников, но детали этой работы пока не опубликованы. Также существует предположение, что способов превращения электронов в пищу у бактерий может быть больше двух: исследования в Калифорнии показали, что разные микроорганизмы предпочитают разные условия в отношении электричества, кислотности среды и так далее.

То, что бактерии для жизни может быть достаточно электрода и воды, открывает перед исследователями новые двери. Во-первых, это может позволить вырастить микроорганизмы, которые отказываются размножаться в чашке Петри (а от этого отказывается подавляющее большинство). Во-вторых, микробы, питающиеся электричеством, находят там, где их существование считалось практически невозможным. Мы не всегда понимаем, как организмы выживают, но сам факт, что они на это способны, может подсказать нам, как зародилась жизнь на Земле. Более того, бактерии — любители металлов, обитающие глубоко под поверхностью планеты, могут намекнуть, где искать похожие микроорганизмы на других объектах Солнечной системы, спрятанные от посторонних глаз, живущие в экстремальных условиях. Учитывая, что в прошлом году NASA объявило о наличии жидкой воды на Марсе, возможно, заброшенная шахта на севере США — не самое экзотическое место для жизни, пожирающей электроны.

Ира СОЛОМОНОВА