Zdjęcia Bogdan Cristel / Reuters
U bakterii ludzkiego jelita odkryte zdolności, które można wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej
Energia ludzkiej cywilizacji i energetyka żywej komórki jest coś, w czym są podobne. Ludzie najczęściej wykorzystują do przesyłania energii na odległość i tłumaczenie jej z jednego rodzaju w inny uniwersalną walutę — prąd, choć nie gardzi i tym, aby destylować rur nośnik energii chemicznej — węglowodory. Żywa komórka jest prawie zawsze polega na energię chemiczną, ale cieszy i energii elektrycznej: przenoszenie cząstek naładowanych — niezbędny atrybut produkcji głównego paliwa komórkowego, cząsteczek ATP.
Cząsteczki ATP produkowane są w różnych reakcjach biochemicznych, ale najbardziej skuteczne z nich — oddech. W tym procesie elektron zostaje u “jadalnej” organicznie molekuły — na przykład, cukru i przekazywane w łańcuchu coraz dalej i dalej, po drodze wprawiając w ruch różne cząsteczkowe maszyny.
W tym wydaniu oddechu, który jest ponad wszystkim znane nam, ludziom (a także większości ziemskich organizmów) do miejsca docelowego elektronów — to atomy tlenu, zawsze gotowe wypełnić nimi swoją zewnętrzną e-powłokę. Jednak niektóre mikroorganizmy używane do robienia w tej sprawie bez tlenu: one przekazują elektron jakimś nieorganiczne molekuły, takie jak tlenek żelaza. A ponieważ takie minerały często nierozpuszczalny, bakterie nie mogą ich używać wewnątrz komórki, a zamiast tego transportują elektrony na zewnątrz. Do tego u nich wyposażono w mechanizm macierzy migracji elektronów (ВПЭ).
Pomysł wykorzystać takie bakterie do produkcji energii elektrycznej powstała dość dawno temu. Odpowiednia technologia nazywa się “bakterii paliwowej komórką”: znajdujące się pomiędzy dwoma elektrodami bakterie utleniają organiczne, wypychają na zewnątrz elektrony i tworzą różnica potencjałów. Uważano jednak, że na to jest w stanie tylko niewielka grupa bakterii z bardzo egzotycznych naturalnych nisz: takich, gdzie żądaną minerały w bród, a tlenu nie ma. A co najważniejsze, nie ma organicznego surowca dla alternatywnego sposobu produkować ATP — fermentacji. Sprytny trik z transportem elektronów w takiej sytuacji jedynym sposobem, aby jakoś przetrwać.
Daniel Krawiec i jego koledzy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley zajmowali się zupełnie inną bakterią o nazwie “listeria”: ten jelitowy patogen prowadzi aktywne życie w układzie pokarmowym człowieka. Tlenu nie ma, ale wystarczy składników odżywczych, które można сбраживать. Jednak, kiedy tych bakterii umieszczano w galwanicznej kamery, są wygenerowana prąd elektryczny. O listeria i wcześniej było wiadomo, że ona jest w stanie przywrócić żelazo do dwuwartościowego, i razem te fakty jednoznacznie wskazują, że mieszkaniec naszych jelit, dlaczego zajmuje się zewnątrzkomórkowej przeniesieniem elektronów, bez którego dobrze mógłby się obejść. Tę zagadkę rozwikłać kalifornijskie biochemicy, o czym poinformowano w magazynie “Nature”.
Naukowcy scharakteryzowali wszystkie geny i białka biorące udział w procesie. Okazało się, że początkowe etapy są bardzo podobne do tego, co dzieje się w komórkach wąskich specjalistów, polegające na ВПЭ dla przetrwania. Jednak dalej dzieje się coś innego: elektron podchwytują cząsteczki organiczne — флавины — które niosą go na zewnątrz. Dalsze losy elektronu jest nieznany, ale флавины łatwo mogą go przekazać mineralnych cząstek gleby, niektóre składniki białek lub nawet inne bakterie.
Autorzy pokazali, że opisany mechanizm obecny nie tylko u listeria, ale i u różnych mieszkańców ludzkiego jelit, w tym молочнокислую bakterii лактобациллу. Do urządzenia jest znacznie łatwiejsze, niż system ВПЭ u minerał-zależnych beztlenowców, ponieważ флавины, zazwyczaj występują w obfitości. Być może właśnie to jest odpowiedź na pytanie, dlaczego bakterie uciekać się do takich przysmaków w warunkach nadmiaru substancji organicznych fermentacja: “przysmaki” okazały się nie takie skomplikowane. Jeśli minerał-zależne beztlenowców uciekać się do tego sposobu wytwarzania energii, bo nie mają innego wyjścia, mieszkańcy naszych jelit zajmują się tym tylko dlatego, że jest to wygodne.
To, co jest wygodne bakterie, może okazać się przydatnym udogodnieniem dla ludzkości. Bakterie, które do tej pory próbowali zastosować w drobnoustrojowych paliwa komórkach, były bardzo kapryśna i nie jest zbyt konkurencyjny w warunkach prawdziwym życiu, tak i ВПЭ w ich wykonaniu był nieporęczny i nie jest zbyt skuteczny proces. Nie jest wykluczone, że bardziej znanych nam bakterii uda się wyszkolić wykonać ten trick znacznie непринужденнее. Nikt nie wie dokładnie, gdzie nastąpi przełom w “zieloną energię” w przyszłości, ale każda nowa możliwość zwiększa szanse, że to się stanie w ciągu najbliższych dziesięcioleci.
Inny aspekt tej pracy — głębsze zrozumienie procesów zachodzących, jeśli można tak powiedzieć, w tajemnicy głębi człowieka. Informacja o tym, że tam, w tajemniczej ciemności, między innymi i jest produkowany przez energii elektrycznej, nie może nie niepokoić. Nie jest wykluczone, że medycyna będzie z tego faktu i bardziej praktyczne wnioski.