Хіміки розібралися, як бактерія з мідного рудника синтезує атомарну мідь.
Мідь претендує на роль металу найближчого майбутнього. Якщо нас все-таки чекає ера електротранспорту замість автомобілів і вантажівок з традиційними двигунами внутрішнього згоряння, то нам знадобиться ще більше міді для виробництва електродвигунів і всієї супутньої електричної інфраструктури.
Вже зараз більше половини всієї міді в світі видобувається не в копальнях і шахтах, а надходить з вторинної переробки. З одного боку, це добре, що ми навчилися утилізувати все, що містить цей цінний кольоровий метал. Але, з іншого боку, це означає, що і ресурси міді в світі обмежені - розвідані запаси не такі вже й великі, а видобуток міді досить трудомістка і зовсім не нешкідлива для природи. Тому і дефіцит міді в світі - цілком реальна перспектива. З вирішенням цієї проблеми пов'язані пошуки нових способів видобутку міді, в тому числі і тих, які призводять до меншого забруднення навколишнього середовища.
Один з напрямків більш екологічного металовидобутку - це біометалургія, тобто використання мікроорганізмів у процесі вилучення корисних копалин. Існують бактерії, здатні «витягати» з твердих гірських порід деякі хімічні елементи, наприклад, ті ж метали. Такий метод називається бактеріальним виклацанням - з певним чином обробленої руди отримують водний розчин, збагачений іонами металів.
Роль бактерій тут полягає в тому, щоб окислити ті хімічні елементи в складі мінералів, які можна окислити, наприклад, сірку або залізо. Мікроорганізми отримують за рахунок цього енергію, а гірничовидобувачі - розчинені метали. Далі цей «розсол» проходить хімічну обробку для поділу елементів і їх подальшого виділення в металевому вигляді. Подібний підхід використовують, наприклад, при видобутку урану або тієї ж міді з бідних руд. Однак є бактерії, здатні не окислювати, а, навпаки, відновлювати метали з їх окисленого стану. І роблять вони це, що називається, не від хорошого життя.
Справа в тому, що солі міді токсичні для безлічі живих організмів. Той самий розчин сульфату міді (мідний купорос, рідина красивого насиченого синього кольору) використовують як антисептик і фунгіцид у сільському господарстві: їм знезаражують ґрунт і обприскують хворі рослини. Але бактерії не були б бактеріями, якби не виробили захист від цього «неприємного» металу. Наприклад, деякі штами мікробів вміють перетворювати іони міді на наночастинки міді, тобто фактично на металеву мідь. На відміну від бактерій, що живляться за рахунок окислення металів, ці бактерії, навпаки, витрачають свою енергію, щоб прибрати мідь з середовища проживання, і за рахунок цього роблять собі добре. Як пишуть в Science Advances дослідники з університету Сан-Паулу і Х'юстонського університету, їм вдалося знайти в одному з мідних рудників Бразилії штам бактерій з роду Bacillus, які не просто вміють очищати розчини від іонів міді, але при цьому отримувати атомарну мідь - окремі стабільні атоми міді. Атомарна мідь використовується у виробництві каталізаторів для хімічної промисловості або, наприклад, для легування сплавів.
Для того, щоб отримати атомарну мідь в лабораторних умовах, зазвичай потрібні складні і не дуже ефективні технологічні процеси, на зразок хімічної облоги з газової фази або фемтосекундної лазерної абляції. «Бразильські» ж бактерії виробляють атомарну мідь самі, просто тому що хочуть вижити в токсичному середовищі. Щоб зрозуміти, як у них це виходить, дослідники вивчили білки, які бактерії синтезували, коли потрапляли в багате іонами міді середовище.
Виявилося, що для боротьби з «мідним зараженням» бактерії виробляють 145 додаткових білків, які вони не синтезують у своєму звичайному житті. Більшість з них (102) відносилися до групи білків, що беруть участь у процесах обміну речовин і з міддю якимось чином не взаємодіють. Швидше за все, вони були потрібні клітинам, щоб виробляти більше енергії в несприятливих умовах. Півтора десятка білків вироблялися для боротьби з хімічним стресом, три з яких брали участь у транспорті іонів міді через мембрану і всередині клітини. Нарешті, ще 11 білків з решти були безпосередньо пов'язані з процесами перетворення іонів міді в атомарну мідь.
Дослідники кажуть, що вони виявили поки тільки один штам бактерій, здатний синтезувати атомарну мідь, хоча їх цілком може бути набагато більше. Крім того, поки не зовсім ясно, як найкраще виділяти атомарну мідь, адже вона знаходиться всередині клітини бактерії. Втім, вчені дивляться на перспективи з великим оптимізмом.