Вчені з Університету Массачусетса показали, що довгі білкові вирости деяких бактерій проводять електричний струм не менш ефективно, ніж дорогі металеві наноструктури.
Те, що деякі бактерії володіють довгими виростами - так званими пилками, які здатні проводити електрони, - відомо вже кілька років. Пилі складаються з амінокислот, упакованих у філамент шириною 3-5 нм і довжиною, що перевищує розмір самих бактерій в десятки разів. За їх допомогою окремі мікроорганізми об'єднуються в біоплівки з сітчастою структурою.
Відкриття пілів справило фурор у науковому середовищі, адже до того вчені вважали, що біологічні матеріали дуже погано проводять електричний струм. Те, що бактерії можуть передавати електрони на величезні відстані в десятки мікрометрів (так, величезні! - у світі все відносно), змінило уявлення про функціонування мікробних спільнот ґрунту і донних опадів водойм і... запалило вогонь у серцях людей, що займаються наноелектронікою. Ще б пак! дешеві швидкозростаючі дроти нано-розміру - про це можна тільки мріяти! Одна біда: експерименти з пилками раз за разом давали суперечливі результати, а властивості і величина їх провідності, так само як механізм, що лежить в її основі, були абсолютно незрозумілі
. Проблема перших експериментів полягала, головним чином, в тому, що умови, в яких вони проводилися, були далекі від природних. Тому Дерек Лавлі (Derek Lovley) і його колеги вирішили протестувати провідність бактеріальних нанопроводів in situ, тобто прямо в біоплівці. Їхні експерименти були прості і витончені, як все геніальне. Вчені взяли анаеробних бактерій Geobacter sulfurreducens, знаменитих своїми пилками і широко поширених у природі, і стали вирощувати їх у стандартній камері для отримання «бактеріальної» електрики. Такі камери мають анод і катод, ізольовані один від одного проникливою для протонів (іонів водню) мембраною. Вони заповнюються спеціальним буфером, що містить субстрат для зростання бактерій, наприклад, ацета
т. Ацетат для більшості бактерій - те ж саме, що їжа для людей: він є джерелом вуглецю, необхідним для побудови біомаси, а також джерелом електронів, які беруть участь у виробленні енергії в процесі їх перенесення по ферментах дихального ланцюга. В останній ланці ланцюга електрони повинні бути передані на кінцевий акцептор, в якості якого у людей виступає кисень, а у бактерій Geobacter в природі - оксиди заліза. В експерименті ж в якості кінцевого акцептора електронів виступав анод камери, від якого електрони бігли далі - на катод, створюючи електричний струм. При цьому ацетат окислявся до вуглекислого газу і протонів (Н +), які надходили в камеру з катодом через проникну для них мембрану. Там вони з'єднувалися з прибіглими електронами і утворювали газоподібний водень
. Експеримент тривав більше місяця. У міру того, як бактерії обліпляли золоті пластини аноду і заповнювали непровідну щілину між ними, струм між катодом і анодом збільшувався. При цьому провідність зростала в міру збільшення товщини біоплівки і була порівнянна з провідністю аналогічних синтетичних нанострукт
ур. Вчені вирішили довести, що провідність є властивістю пилів, а не біомаси в цілому. Для цього вони з'ясували величину експресії структурного білка пилів PilA в декількох штамах бактерій, з якими проводилися експерименти. Виявилося, що чим більше експресія білка в клітинах штаму, тим краще його біоплівка проводить струм
.
Подальші експерименти відкрили найцікавіше: з'ясувалося, що провідність пилів залежить від температури і pH середовища зовсім так само, як залежить від цих факторів провідність металів. Зниження температури і кисле середовище посилювали провідність, адже ця властивість металевих провідників вже давно використовується в електроніці. Експерименти Дерека Лавлі і його команди вперше показали, що бактеріальними нанопроводами можна керувати.
Ось тільки структура цих проводів, а, отже, і механізм проведення струму, як і раніше залишаються темним лісом. Звичайно, у вчених є здогадки з цього приводу, але поки це всього лише красиві гіпотези. Бактеріальні нанопроводи відкривають нові горизонти в біоелектроніці. Можливо, люди створять дешеві швидкозростаючі наноматеріали з унікальними властивостями на основі синтезованих бактеріями пилів і навчаться ростити подібні їм структури, підглянувши у природи ще одне інженерне диво. У свою чергу, це спричинить за собою створення складних мікрочіпів і сенсорів, наномоторів, нанобіотранзисторів та інших нано.
.. А як вам можливість вбудовування електронних пристроїв в живий організм і розширення його уявних здібностей? Ви хочете навчитися рахувати краще і швидше, ніж ваш калькулятор? Хочете збільшити обсяг пам'яті, врешті-решт? не через 100-200 років, а вже зовсім скоро? Можливо, вам це здасться лише фантазією, але давайте доживемо до завтра. Адже історія науки вже неодноразово бачила перетворення чудес на справжнісіньку реальність
.
Ріс. 1 Мережа нанопроводів, синтезованих бактеріями Geobacter.
Рис. 2 Схема камери, використаної в експериментах. Дві золоті пластини з метою між ними являють собою анод. Анод відокремлений від катода проникливою для протонів мембраною (PEM). Ліворуч розташована контрольна камера, анод якої не з'єднаний з катодом. На нижньому малюнку показано біоплівку, що росте на золотих пластинах анода і заповнює непровідний простір між ними.
Ризи.3 Зв'язок між провідністю біоплівки і пилками бактерій. Червоні стовпчики показують провідність (шкала ліворуч), фіолетові - експресію структурного білка пилів PilA (шкала праворуч). Експресія білка pilA виражена у відсотках від його експрес-сії в штамі DL-1. KN400, BEST, DL-1 - різні штами Geobacter.
Ця робота, представлена на конкурс науково-популярних робіт «біо/мовляв/текст» biomolecula.ru/content/888 посіла перше місце в номінації «Краще новинне повідомлення».