Бактерії-ацетогени погодилися зайнятися фотосинтезом, але тільки в обмін на золоті наночастинки.
Стародавні ціанобактерії навчилися використовувати енергію сонячного світла для виробництва корисних їм речовин, а в якості бонусу наситили атмосферу Землі киснем (за що ми їм дуже вдячні).
Однак не всі мікроорганізми пішли по світлій дорозі фотосинтезу. Дехто вирішив шукати свій шлях, освоюючи альтернативні джерела енергії. Так, наприклад, є велика група архей, які отримують енергію, переробляючи вуглекислий газ в метан; правда, для цього їм необхідне джерело водню. Якщо з вуглекислим газом на планеті проблем немає, то ось знайти водень не так просто, тому метаногенам (так вони називаються), доводиться його шукати в місцях, де немає кисню: в морських глибинах або в кишечниках ссавців.
Як колись мікроби шукали собі альтернативні джерела енергії, так і сучасні дослідники шукають різні способи виробництва енергії, бажано з тієї сировини, якої колом повно. Дійсно, чому б не витягувати водень з води або робити біопаливо з якихось відходів? А ще краще - навчитися перетворювати вуглекислий газ на метан, та ще й так, щоб це було дешевше, ніж видобувати той же метан із земних надр, адже поки що основна проблема всієї альтернативної енергетики - її висока ціна в порівнянні з енергією з викопного палива.
Про археї-метаногени мова зайшла не випадково. З їх допомогою можна було б не тільки виробляти паливо, але ще й утилізувати вуглекислий газ, який утворюється при згорянні того ж самого метану. А в ідеалі ще й створити замкнутий цикл - з вуглекислого газу отримувати метан, його спалювати, а з продуктів горіння отримувати знову вихідне паливо. Проблема в тому, що, як було сказано, метаногени використовують для цих цілей водень, який вони знаходять в навколишньому середовищі. Але водень сам по собі вже паливо, притому досить дороге у виробництві. Отримувати водень, щоб годувати їм потім бактерії, щоб отримати метан, було б недозволеною розкішшю. Однак тут є одне цікаве рішення.
Не всі метаногени роблять метан з вуглекислого газу. Є й інші, які в якості джерела енергії беруть не CO2 і H2, а ацетат (оцтову кислоту). Часто такі любителі ацетату живуть у компанії з бактеріями-ацетогенами. У свою чергу, різні ацетогени отримують оцту кислоту по-різному - є такі, які перетворюють в ацетат готові органічні речовини, є інші, які роблять ацетат з вуглекислого газу і водню, і є треті, які роблять і так, і так. (Тут про всяк випадок варто уточнити, що метаногенам і ацетогенам ні метан, ні оцтова кислота самі по собі не потрібні - просто мікроби навчилися використовувати відповідні хімічні реакції, щоб отримувати енергію, а метан і ацетат - лише побічні продукти.)
Серед ацетогенів, у яких ацетат виходить як з готової органіки, так і з вуглекислого газу, є бактерія Moorella thermoacetica. Щоб зловити вуглекислий газ, потрібна енергія. Рослини, водорості, ціанобактерії використовують для фіксації CO2 енергію світла. Але ацетогени, і M. thermoacetica в тому числі, використовують для цього не світло, а неорганічні сполуки (іншими словами, такі бактерії займаються не фотосинтезом, а хемосинтезом). Однак, як показали експерименти дослідників з Каліфорнійського університету в Берклі, M. thermoacetica можна навчити користуватися світлом.
По суті, і світло для фотосинтетиків, і неорганічні сполуки для хемосинтетиків потрібні для того, щоб отримати електрони для хімічних реакцій. (У фотосинтетиків світло вибиває ці електрони зі спеціальних фотоуловлюючих молекулярних комплексів, у хемосинтетиків електрони викачуються з неорганіки.) Бактерію, що займається хемосинтезом, можна привчити до фотосинтезу, якщо поєднати її з якимось фотоелементом.
У 2015 році співробітники Каліфорнійського університету в Берклі розмістили M. thermoacetica на фотоелементі, і бактерія дійсно почала переробляти вуглекислий газ в оцту кислоту за допомогою світла. На наступному етапі вже не бактерії розміщували на фотоелементі, а фотоелемент на бактерії. На клітинну мембрану M. thermoacetica посадили наночастинки сульфіду кадмію, які здатні поглинати світло видимого спектру і віддавати електрони. Однак сполуки кадмію виявилися не дуже корисними для бактерій, які від них досить швидко гинули; крім того, електрони від наночастинок потрібно було переправити через клітинну мембрану всередину бактеріальної клітини, а це вимагало зайвої фізико-хімічної роботи.
Тому виникла думка помістити якісь нешкідливі наночастинки прямо всередину бактерії, щоб транспорт електронів вже нічим не ускладнювався. Такими частинками стали нешкідливі нанокластери золота. Частинки розміром всього в 22 атоми розмістили всередині M. thermoacetica, і, як йдеться в статті в Nature Nanotechnology, бактерії досить позитивно сприйняли «золотий» подарунок, винагородивши дослідників зростанням трудових показників: кількість перероблюваного вуглекислого газу зросла на третину, та й тривалість життя мікробів істотно збільшилася. Іншими словами, бактерію, яка взагалі не вміла фотосинтезувати, за допомогою золота вдалося навчити фотосинтезу, причому досить ефективному.
Що ж до оцтової кислоти, яку буде синтезувати M. thermoacetica, то її можна відправити метаногенам, а від метаногенів вже отримати метан. Правда, коли метаногени розкладають оцту кислоту, то на виході крім метану виходить вуглекислий газ. Однак CO2 від метаногенів виходить менше, ніж його поглинають ацетогени, так що загальний баланс вуглекислого газу все одно буде знижуватися.
За матеріалами Каліфорнійського університету в Берклі