Szokujący sekret bakterii jelitowych: wytwarzają prąd!

Większość poznanych bakterii wytwarzających energię elektryczną pochodzi z trudno dostępnych środowisk, ale naukowcy odkryli ponad 100 gatunków o takich właściwościach w ludzkim mikrobiomie jelitowym, zarówno patogennych jak i probiotycznych. Okazuje się, że prądotwórcze bakterie jelitowe stosują inny i prostszy zewnątrzkomórkowy system przenoszenia elektronu, który może okazać się przydatny w tworzeniu baterii bakteryjnych. Ich zdolność elektrochemiczna może być ważnym czynnikiem chorobowym lub wpływać na sposób fermentowania sera i jogurtu.

Dotychczas znajdowano bakterie wytwarzające elektryczność w niedostępnych środowiskach, takich jak kopalnie i dna jezior. Naukowcy dopiero teraz znaleźli je także w ludzkim jelicie.

Naukowcy z University of California, Berkeley, odkryli, że pospolita bakteria wywołująca biegunkę, Listeria monocytogenes, wytwarza energię elektryczną przy użyciu zupełnie innej techniki, niż poznane dotychczas bakterie prądotwórcze i że setki innych gatunków bakterii jelitowych używa tego samego procesu.

Wiele z tych gatunków bakterii jest częścią fizjologicznego mikrobiomu jelit człowieka, inne zaś – podobnie jak L. monocytogenes – są patogenne. Bakterie, które powodują gangrenę (Clostridium perfringens), infekcje szpitalne (Enterococcus faecalis) i niektóre chorobotwórcze bakterie Streptococcus to przykładowe gatunki bakterii, wytwarzających energię elektryczną. Inne bakterie prądotwórcze, takie jak Lactobacilli, fermentują jogurt, a wiele z nich to probiotyki.

„Długo nie zauważano tego, że tak wiele gatunków bakterii – zarówno probiotycznych, patogennych, środowiskowych czy ludzkich – ma zdolność wytwarzania prądu.” – powiedział Dan Portnoy, profesor biologii molekularnej i komórkowej oraz biologii roślin i drobnoustrojów na Uc w Berkeley. „To może nam powiedzieć wiele o tym, jak te bakterie nas zakażają lub pomagają nam zachować zdrowie.”

Odkrycie będzie dobrą wiadomością dla tych, którzy obecnie próbują stworzyć żywe baterie z mikrobów. Takie „zielone” technologie bioenergetyczne mogą, na przykład, wytwarzać energię elektryczną z bakterii w zakładach przetwarzania odpadów.

Badania zostały opublikowane online 12 września 2018 roku przed publikacją wydruku 4 października w czasopiśmie Nature.

Oddychający metal

Bakterie wytwarzają energię elektryczną z tego samego powodu, dla którego my oddychamy tlenem: do usuwania elektronów wytwarzanych podczas metabolizmu i wspomagania produkcji energii. Podczas gdy zwierzęta i rośliny przenoszą swoje elektrony na cząsteczki tlenu w mitochondriach każdej komórki, bakterie w środowiskach beztlenowych – w tym w naszych jelitach, ale również w kadziach fermentacji i fermentacji sera i kwaśnych kopalniach – muszą znaleźć innego akceptora elektronów. W środowiskach geologicznych, które często były minerałami – na przykład żelazem lub manganem – poza komórką. W pewnym sensie bakterie te „oddychają” żelazem lub manganem.

Przeniesienie elektronów z komórki na minerał wymaga kaskady specjalnych reakcji chemicznych, tzw. zewnątrzkomórkowego łańcucha przenoszenia elektronów, który przenosi elektrony jako maleńki prąd elektryczny. Niektórzy naukowcy wykorzystali ten łańcuch, by stworzyć baterię: wsadzali elektrodę do kolby tych bakterii i wytwarzali energię elektryczną.

Nowo odkryty pozakomórkowy układ przeniesienia elektronu jest w rzeczywistości prostszy niż już wcześniej poznany łańcuch przenoszący i wydaje się, że jest wykorzystywany przez bakterie tylko wtedy, gdy jest to konieczne – prawdopodobnie wtedy, gdy poziom tlenu jest niski. Jak dotąd, ten prostszy łańcuch przenoszenia elektronów znaleziono w bakteriach z pojedynczą ścianą komórkową (tzn. Gram-dodatnich) – które żyją w środowisku z dużą ilością flawiny, która jest pochodną witaminy B2.

„Wygląda na to, że struktura komórek tych bakterii i bogata w witaminy nisza ekologiczna, którą zajmują, sprawia, że przenoszenie elektronów poza komórkę jest znacznie łatwiejsze i bardziej efektywne energetycznie” – powiedział pierwszy autor, Sam Light, doktor habilitowany. „Tak więc uważamy, że powszechnie badane bakterie, odżywiające się minerałami używają pozakomórkowego transferu elektronów, ponieważ ma to zasadnicze znaczenie dla przetrwania, podczas gdy te nowo zidentyfikowane prądotwórcze bakterie jelitowe używają go, ponieważ jest łatwy do przeprowadzenia”.

Aby zobaczyć, jak solidny jest ten system, Light połączył siły z Caroline Ajo-Franklin z Lawrence Berkeley National Laboratory, która bada interakcje między żywymi drobnoustrojami i materiałami nieorganicznymi dla możliwych zastosowań w wychwytywaniu i sekwestracji węgla oraz wytwarzaniu energii ze słońca. Użyła elektrody do pomiaru prądu elektrycznego, który płynie z bakterii – do 500 mikroamperów – potwierdzając, że w rzeczy samej bakterie te mają potencjał prądotwórczy. W rzeczywistości wytwarzają one tyle elektryczności – niektóre około 100 000 elektronów na sekundę na komórkę – jak znane bakterie elektrogenne.

Dr Sam Light fascynuje szczególnie obecność tego układu u rodzaju Lactobacillus, bakterii niezbędnych do produkcji sera, jogurtu i kiszonej kapusty. Być może, jak sugeruje, transport elektronów wpływa na w smak sera i kiszonej kapusty.

„To duża część fizjologii bakterii, z której ludzie nie zdawali sobie dotychczas sprawy, i która mogłaby zostać potencjalnie wykorzystana przez naukowców” – powiedział.

Light i Portnoy mają o wiele więcej pytań o to, jak i dlaczego te bakterie rozwinęły tak unikalny mechanizm. Prostota – łatwiej jest przenosić elektrony przez jedną ścianę komórkową, niż przez dwie – i sposobność – wykorzystanie wszechobecnych cząsteczek flawiny w celu pozbycia się elektronów – wydaje się, że właśnie te kwestie miały kluczowe znaczenie dla wytworzenia przez te bakterie sposobu, aby przetrwać zarówno w środowisku bogatym, jak i ubogim w tlen.

ŹRÓDŁO:

1. Samuel H. Light, Lin Su, Rafael Rivera-Lugo, Jose A. Cornejo, Alexander Louie, Anthony T. Iavarone, Caroline M. Ajo-Franklin, Daniel A. Portnoy. A flavin-based extracellular electron transfer mechanism in diverse Gram-positive bacteria. Nature, 2018; DOI: 10.1038/s41586-018-0498-z