كشف مولكولي كه امكان توليد الكتريسته را به باكتري‌ها مي‌دهد

براي باكتري‌ها كه فاقد دهان و سيستم تنفسي مانند ريه هستند، عمل تنفس كمي پيچيده‌تر از انسان در بدن انسان اكسيژن ازطريق دم وارد ريه‌ها شده و در بازدم به‌صورت دي اكسيد كربن خارج مي‌شود. «ژئوباكتر‌ها» نوعي از باكتري‌ها هستند كه در تمام مناطق آب‌هاي زير زميني زندگي مي‌كنند. اين گروه از باكتري‌ها از زباله‌هاي آلي تغذيه و در بازدم خود الكترون‌ آزاد و به اين ترتيب جريان الكتريكي كمي توليد مي‌كنند.

اين الكترون‌ها كه در بازدم آزاد مي‌شوند، هميشه به ماده‌اي براي تجمع در آن نياز دارند (معمولاً در يك ماده معدني فراوان در آب‌هاي زيرزميني مانند اكسيد آهن تجمع مي‌يابند) و ژئوباكتر‌ها ابزاري غيرمتعارفي براي اطمينان از رسيدن الكترون‌ها به اين ماده دارند. نيخيل مالوانكار، استاديار مركز تحقيقات علوم ميكروبي دانشگاه ييل در كنتيكت گفت: «ژئوباكتر‌ها ازطريق بخشي كه اساساً يك لوله تنفسي به شمار مي‌آيد كه صدها برابر اندازه آن‌ها است، تنفس مي‌كند.»

اين لوله‌هاي تنفسي «نانوسيم» (nanowire) ناميده مي‌شوند. اگرچه اين رشته‌هاي ريز و رسانا اندازه‌اي ۱۰۰ هزار برابر كوچك‌تر از عرض موي انسان دارند، مي‌توانند الكترون‌ها را تا صدها يا هزاران برابر طول سلول يك ژئوباكتر منتقل كنند. به دليل وجود اين سازگاري، ژئوباكترها يكي از مهم‌ترين سيستم‌هاي تنفسي زمين به شمار مي‌آيند. در هر زمان مشخص، ميلياردها باكتري در كف درياها الكتريسيته توليد مي‌كنند.

در مطالعه جديدي كه در ۱۷ آگوست در مجله Nature Chemical Biology منتشر شد، مالوانكار و همكارانش كشف كردند كه چگونه مي‌توان اين انرژي را با يك شبكه قدرتمند ميكروبي تركيب كرد. محققان با استفاده از تكنيك‌هاي پيشرفته ميكروسكوپي، «مولكول مخفي» را كشف كردند كه به ژئوباكتر اجازه مي‌دهد در فواصل بسيار طولاني كه قبلا در باكتري ديده نشده بود، تنفس كند. اين گروه از محققان همچنين دريافتند كه با تحريك كلني‌هاي ژئوباكتر با يك ميدان الكتريكي، اين باكتري‌ها هزار برابر كارآمدتر از محيط طبيعي خود، انرژي الكتريكي را هدايت مي‌كنند.

نانوسيم‌هاي هدايت كننده الكتريسيته به شكل رشته‌هاي باريك قرمز رنگ مشاهده مي‌شوند.

براساس اين نتايج پژوهشگران بيان كردند كه درك اين سازگاري‌هاي ذاتي و الكتريكي مي‌تواند گامي ‌اساسي در تبديل كلني‌هاي ژئوباكتر به باتري‌هاي زنده و تنفسي باشد. براي ساخت وسايل الكترونيكي مي‌توان از باكتري‌هاي توليدكننده الكتريسيته استفاده كرد.

به‌گفته پژوهشگران اين مطالعه، در اعماق زمين و در خاكي مرطوب و فاقد اكسيژن، ژئوباكتر مي‌تواند در محيط‌هاي سختي زندگي كند كه تعداد كمي ‌از ميكروب‌هاي ديگر مي‌توانند زنده بماند. نانوسيم‌ها كه به ژئوباكترها امكان مي‌دهند در غياب اكسيژن تنفس كنند، براي زنده‌نگه‌داشتن اين باكتري‌ها روي زمين (جايي كه گيرنده‌هاي الكتروني مانند اكسيد آهن به‌ندرت بيش از چند ميليونيوم متر با آن‌ها فاصله دارند) از اهميت ويژه‌اي برخوردار هستند. بااين‌حال، كلني‌هاي ژئوباكتر كه در آزمايشگاه رشد مي‌كنند، هميشه امكان زندگي در مجاورت مواد معدني فراوان را ندارند.

در تحقيقات اخير، مالوانكار و همكارانش دريافتند كه ژئوباكترهاي احياكننده سولفور كه در آزمايشگاه رشد كرده‌اند، در هنگام قرار گرفتن در معرض يك الكترود كوچك يا ديسك انتقال‌دهنده الكتريسيته، از يك ترفند هوشمندانه ديگر براي زنده‌ماندن استفاده مي‌كنند. باكتري‌هاي تحريك‌شده با ميدان الكتريكي، در قالب بيوفيلم‌هاي متراكمي تجمع مي‌يابند. در اين حالت انبوهي از صدها ميكروب جداگانه‌ي به‌هم‌پيوسته، الكترون‌ها را ازطريق يك شبكه مشترك به حركت در مي‌آورند.

مالوانكار در اين رابطه مي‌گويد: «اين باكتري‌ها مانند آپارتمان‌هاي بلند، به شكل صدها طبقه روي هم قرار مي‌گيرند و همه آن‌ها مي‌توانند يك شبكه الكتريكي مشترك داشته باشند و به‌طور مداوم الكترون‌ها را هدايت ‌كنند.» سؤال بزرگي كه مالوانكار و همكارانش را با اشكال مواجه كرده، اين است كه چگونه ميكروب‌ها در طبقه صدم اين ساختمان مي‌توانند الكترون‌ها را تا انتهاي اين سازه هدايت كرده و سپس ازطريق نانوسيم خارج كنند.

براي كشف اسرار نانوسيم، محققان اين مطالعه با استفاده از دو تكنيك ميكروسكوپي پيشرفته، محيط‌هاي كشت‌ آزمايشگاهي ژئوباكترها را مورد تجزيه و تحليل قرار دادند. اولين تكنيك ميكروسكوپي مورد استفاده، «ميكروسكوپ نيروي اتمي ‌با وضوح بالا» ناميده مي‌شود. اين ميكروسكوپ با لمس سطح مورد مطالعه با يك كاوشگر مكانيكي بسيار حساس، اطلاعات دقيق در مورد ساختار نانوسيم‌ها را جمع آوري كرد.

سيبل ابرو يالچين، نويسنده اصلي تحقيق در مركز تحقيقات علوم ميكروبي ييل در مورد عملكرد اين ميكروسكوپ توضيح داد: «عملكرد اين ميكروسكوپ به نوعي شبيه خواندن خط بريل است، با اين تفاوت كه مي‌تواند برجستگي‌هايي در حدود يك ميلياردم متر را مورد مطالعه قرار دهد.»

محققان ازطريق تكنيك ميكروسكوپي دوم، به‌نام «نانو اسپكتروسكوپي مادون قرمز»، مولكول‌هاي خاصي را در نانوسيم‌ها براساس نحوه پراكندگي نور مادون قرمز ورودي شناسايي كردند. براساس گفته‌هاي يالچين، با اين دو روش، محققان «اثر انگشت منحصر‌به‌فرد» هر اسيد آمينه را در پروتئين‌هاي سازنده نانوسيم‌هاي ژئوباكتر مشاهده كردند.

تيم تحقيق به اين نتيجه رسيد، هنگامي‌ كه ژئوباكتر توسط يك ميدان الكتريكي تحريك مي‌شود، يك نوع نانوسيم توليد مي‌كند كه قبلا ناشناخته بود و از پروتئيني به‌نام «OmcZ» ساخته مي‌شود. اين پروتئين كه از واحدهاي سازنده فلزي و كوچك به‌نام «هِم» (heme) ساخته شده است، نانوسيم‌هايي را ايجاد مي‌كند كه هزار برابر كارآمدتر از نانوسيم‌هاي معمولي ژئوباكتر در خاك الكتريسيته را هدايت مي‌كند و به باكتري‌ها اجازه مي‌دهد كه الكترون‌ها را تا فواصل زيادي هدايت كنند.

توانايي توليد الكتريسيته توسط باكتري‌ها در گذشته شناخته شده بود؛ اما ساختار مولكولي توليدكننده الكتريسيته در باكتري‌ها مشخص نبود كه مالوانكار و همكارانش اين مولكول پروتئيني را شناسايي كردند.

بيش از يك دهه است كه محققان از كلني‌هاي ژئوباكتر براي تأمين انرژي ساختارهاي الكترونيكي كوچك استفاده مي‌كنند. مزيت اصلي اين سلول‌هاي سوختي ميكروبي، طول عمر آن‌ها است. باكتري‌ها مي‌توانند تقريبا به‌طور نامحدود خود را ترميم كرده و توليد مثل كنند و بار الكتريكي كوچكي را به‌طور مداوم ايجاد ‌كنند. در يك آزمايش نيروي دريايي ايالات متحده كه در سال ۲۰۰۸ انجام شد، محققان از يك پيل سوختي ژئوباكتر براي تأمين انرژي يك بويه هواشناسي كوچك در رودخانه پوتامك واشنگتن دي سي براي بيش از ۹ ماه استفاده كردند، بدون اينكه هيچ نشانه‌اي از كاهش انرژي الكتريكي نشان دهد. بااين‌حال، شارژي كه توسط اين پيل‌هاي سوختي تأمين مي‌شود، بسيار ناچيز است (قدرت بويه هواشناسي نيروي دريايي در حدود ۳۶ ميلي‌وات يا هزارم وات بود) و همين امر تأمين انرژي انواع وسايل الكترونيكي كه توسط باكتري‌ها قابل تأمين است را محدود مي‌كند.

باتوجه‌به تحقيقات جديد، دانشمندان اكنون مي‌دانند كه چگونه نانوسيم‌هاي ميكروبي را براي تقويت و رسانايي بيشتر دستكاري كنند. مالوانكار در اين مورد افزود: «اين اطلاعات مي‌تواند توليد ابزارهاي بيوالكترونيكي را ارزان‌تر و آسان‌تر كند و اميدوارم اين يافته، شروعي براي توليد نسل جديدي از باتري‌هاي مبتني بر باكتري و سازگار با محيط‌زيست باشد.» وي در پايان به اين نكته اشاره كرد: «ما هنوز تا امكان شارژ آيفون‌هاي خود با يك مشت ژئوباكتر فاصله داريم، اما درك قدرت شبكه الكتريكي ميكروسكوپي كمي‌ آسان‌تر شد.»