חיידקים מסתוריים מייצרים חוטי חשמל

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

עבור לארס פיטר נילסן, הכל התחיל עם היעלמותו המסתורית של מימן גופרתי. המיקרוביולוג אסף את הבוץ השחור והמסריח מתחתית נמל ארהוס בדנמרק, זרק אותו לכוסות זכוכית גדולות והחדיר חיישני מיקרו מיוחדים שזיהו שינויים בהרכב הכימי של הבוץ.

בתחילת הניסוי, ההרכב היה רווי במימן גופרתי - מקור הריח והצבע של המשקעים. אבל 30 יום לאחר מכן, רצועה אחת של לכלוך החווירה, מה שמעיד על אובדן מימן גופרתי. בסופו של דבר, המיקרו-חיישנים הראו שכל החיבור נעלם. בהתחשב במה שידעו המדענים על הביוגיאוכימיה של הבוץ, נזכר נילסן מאוניברסיטת ארהוס, "זה לא היה הגיוני בכלל".

ההסבר הראשון, לדבריו, היה שהחיישנים היו שגויים. אבל הסיבה התבררה כמוזרה הרבה יותר: החיידקים המחברים את התאים יוצרים כבלים חשמליים שיכולים להוליך זרם עד 5 סנטימטרים דרך הלכלוך.

הסתגלות שלא נראתה בעבר בחיידקים מאפשרת לחיידקי הכבלים הללו להתגבר על בעיה מרכזית איתה מתמודדים אורגניזמים רבים החיים בבוץ: מחסור בחמצן. היעדרו בדרך כלל מונע מחיידקים לבצע חילוף חומרים כגון מימן גופרתי למזון. אבל כבלים, על ידי קשירת חיידקים למרבצים עשירים בחמצן, מאפשרים להם להגיב למרחקים ארוכים.

כאשר נילסן תיאר לראשונה את התגלית ב-2009, עמיתיו היו סקפטיים. פיליפ מייזמן, מהנדס כימי באוניברסיטת אנטוורפן, נזכר שחשב, "זו שטות גמורה". כן, החוקרים ידעו שחיידקים יכולים להוליך חשמל, אבל לא במרחקים שהציעה נילסן. "זה היה כאילו התהליכים המטבוליים שלנו יכולים להשפיע על מרחק של 18 קילומטרים", אומר המיקרוביולוג אנדראס טסקה מאוניברסיטת צפון קרוליינה בצ'פל היל.

אבל ככל שהחוקרים חיפשו יותר בוץ "מחושמל", כך הם מצאו אותו גם במים מלוחים וגם במים מתוקים. הם גם זיהו סוג שני של חיידק חשמלי אוהב לכלוך: חיידקי ננו-חוטים, תאים בודדים שמצמיחים מבני חלבון שיכולים להעביר אלקטרונים למרחקים קצרים יותר.

החיידקים הננו-חוטיים הללו נמצאים בכל מקום, כולל בפה האנושי

תגליות מאלצות חוקרים לשכתב ספרי לימוד; לחשוב מחדש על תפקידם של חיידקי הבוץ בעיבוד של יסודות מפתח כמו פחמן, חנקן וזרחן; וסקור כיצד הם משפיעים על מערכות אקולוגיות מימיות ושינויי אקלים.

מדענים מחפשים גם יישומים מעשיים, בוחנים את הפוטנציאל של חיידקים המכילים כבלים וננו-חוטים להילחם בזיהום ולהניע מכשירים אלקטרוניים. "אנחנו רואים הרבה יותר אינטראקציות בתוך חיידקים ובין חיידקים באמצעות חשמל", אומר מייזמן. "אני קורא לזה הביוספירה החשמלית."

רוב התאים משגשגים על ידי נטילת אלקטרונים ממולקולה אחת, תהליך הנקרא חמצון, והעברתם למולקולה אחרת, בדרך כלל חמצן, הנקראת רדוקציה. האנרגיה הנרכשת מתגובות אלו שולטת בתהליכי חיים אחרים. בתאים איקריוטים, כולל שלנו, מתרחשות תגובות "חיזור" כאלה על הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה, והמרחקים ביניהם זעירים - מיקרומטרים בלבד. זו הסיבה שכל כך הרבה חוקרים היו סקפטיים לגבי הטענה של נילסן לפיה חיידקי כבלים מעבירים אלקטרונים דרך שכבת עפר בגודל של כדור גולף.

היעלמות מימן גופרתי הייתה המפתח להוכחת זאת. החיידקים יוצרים תרכובת בבוץ, מפרקים פסולת צמחים וחומרים אורגניים אחרים; במשקעים עמוקים יותר, מימן גופרתי מצטבר עקב מחסור בחמצן, מה שעוזר לחיידקים אחרים לפרק אותו. עם זאת, מימן גופרתי עדיין נעלם בכוסות של נילסן. יתרה מכך, על פני הלכלוך הופיע גוון חלוד, שהעיד על היווצרות תחמוצת ברזל.

כשהתעורר לילה אחד, נילסן הגיע עם הסבר מוזר: מה אם חיידקים שנקברו בבוץ ישלימו את תגובת החיזור, איכשהו עוקפים את השכבות הדלות בחמצן? מה אם, במקום זאת, הם השתמשו באספקה השופעת של מימן גופרתי כתורם אלקטרונים ולאחר מכן העבירו את האלקטרונים אל המשטח העשיר בחמצן? שם, בתהליך החמצון, נוצרת חלודה אם יש ברזל.

קשה למצוא מה נושא את האלקטרונים הללו. ראשית, נילס ריסגורד-פטרסן מהצוות של נילסן נאלץ לשלול אפשרות פשוטה יותר: חלקיקי מתכת במשקעים נושאים אלקטרונים אל פני השטח וגורמים לחמצון. הוא השיג זאת על ידי הכנסת שכבה של חרוזי זכוכית שאינם מוליכים חשמל לתוך עמוד עפר. למרות המכשול הזה, החוקרים עדיין מצאו זרם חשמלי נע דרך הבוץ, מה שמרמז שחלקיקי המתכת אינם מוליכים.

כדי לראות אם כבל או חוט נושאים אלקטרונים, החוקרים השתמשו אז בחוט טונגסטן כדי לבצע חתך אופקי בעמוד הבוץ. הזרם כבה, כאילו נחתך חוט. עבודות אחרות צמצמו את גודל המוליך, והציעו לו להיות בקוטר של לפחות מיקרומטר אחד. "זה הגודל הנורמלי של חיידקים", אומר נילסן.

בסופו של דבר, מיקרוגרפי אלקטרונים חשפו מועמד סביר: סיבי חיידקים ארוכים ודקים שהופיעו בשכבת חרוזי זכוכית שהוכנסו לכוסות מלאות בבוץ מנמל ארהוס. כל נימה מורכבת מערימת תאים - עד 2,000 - סגורה בקרום חיצוני מצולע. במרווח שבין קרום זה לבין התאים הנערמים זה על זה, ריבוי "חוטים" מקבילים מתחו את החוט לכל אורכו. המראה דמוי הכבל היווה השראה לשם הנפוץ של החיידק.

מייזמן, ספקן לשעבר, התגייר במהירות. זמן קצר לאחר שנילסן הכריז על תגליתו, מיזמן החליט לחקור את אחת הדגימות שלו של בוץ ים. "שמתי לב לאותם שינויי צבע במשקעים שהוא ראה", משחזר מיזמן. "זה היה הכיוון של אמא טבע לקחת את זה יותר ברצינות."

הצוות שלו החל לפתח כלים ושיטות למחקר מיקרוביאלי, לפעמים בשיתוף עם הקבוצה של נילסן. זה היה קשה ללכת. חוטי חיידקים נוטים להידרדר במהירות לאחר בידוד, ואלקטרודות סטנדרטיות למדידת זרמים במוליכים קטנים אינן פועלות. אבל ברגע שהחוקרים למדו לבחור גדיל בודד ולחבר במהירות אלקטרודה בודדת, "ראינו מוליכות ממש גבוהה", אומר מייזמן. כבלים חיים אינם יכולים להתחרות בחוטי נחושת, הוא אמר, אבל הם תואמים את המוליכים המשמשים בפאנלים סולאריים ומסכי טלפונים ניידים, כמו גם את המוליכים למחצה האורגניים הטובים ביותר.

החוקרים גם ניתחו את האנטומיה של חיידקי הכבלים. באמצעות אמבטיות כימיות, הם בודדו את המעטפת הגלילית, ומצאו שהיא מכילה 17 עד 60 סיבים מקבילים המודבקים בפנים. הפגז הוא מקור ההולכה, דיווחו מיזמן ועמיתיו בשנה שעברה ב-Nature Communications. הרכבו המדויק עדיין לא ידוע, אך ייתכן שהוא מבוסס על חלבון.

"זהו אורגניזם מורכב", אומר נילסן, שעומד כיום בראש המרכז לאלקטרו-מיקרוביולוגיה, שנוצר ב-2017 על ידי ממשלת דנמרק. בין הבעיות שהמרכז פותר הוא ייצור המוני של חיידקים בתרבות. "אם הייתה לנו תרבית טהורה, היה הרבה יותר קל" לבדוק רעיונות לגבי חילוף החומרים של התא והשפעת הסביבה על ההולכה, אומר אנדראס שרם מהמרכז. החיידקים התרבותיים יקלו גם על בידוד חוטי כבלים ובדיקת יישומי ביולוגי פוטנציאליים וביוטכנולוגיה.

בעוד החוקרים מתלבטים לגבי החיידקים בכבל, אחרים מסתכלים על שחקן מרכזי נוסף בבוץ חשמלי: חיידקים מבוססי ננו-חוטים שבמקום לקפל תאים לכבלים, מגדלים חוטי חלבון באורך של 20 עד 50 ננומטר מכל תא.

כמו בחיידקי כבלים, ההרכב הכימי המסתורי של המשקעים הוביל לגילוי של חיידקים ננו-חוטיים. בשנת 1987, המיקרוביולוג דרק לוולי, כיום באוניברסיטת מסצ'וסטס אמהרסט, ניסה להבין כיצד פוספט משפכי דשן - חומר מזין שמקדם פריחת אצות - משתחרר ממשקעים מתחת לנהר הפוטומק בוושינגטון הבירה. עבד והחל לנכש אותם מהעפר. לאחר גידול אחד, הנקרא כיום Geobacter Metallireducens, הוא הבחין (תחת מיקרוסקופ אלקטרונים) שלחיידקים נוצרו קשרים עם מינרלים סמוכים של ברזל. הוא חשד שאלקטרונים נישאים לאורך החוטים הללו, ובסופו של דבר הבין ש-Geobacter תיזמר תגובות כימיות בבוץ, מחמצן תרכובות אורגניות ומעביר אלקטרונים למינרלים. מינרלים מופחתים אלה משחררים אז זרחן ואלמנטים אחרים.

כמו נילסן, לאבלי התמודד עם ספקנות כשתיאר לראשונה את החיידק החשמלי שלו. אולם כיום, הוא ואחרים רשמו כמעט תריסר סוגים של חיידקים ננו-חוטיים, ומצאו אותם בסביבות שאינן עפר. רבים נושאים אלקטרונים אל ומחלקיקים במשקעים. אבל חלקם מסתמכים על חיידקים אחרים כדי לקבל או לאחסן אלקטרונים. השותפות הביולוגית הזו מאפשרת לשני החיידקים "לעסוק בסוגים חדשים של כימיה שאף אורגניזם לא יכול לעשות לבד", אומרת ויקטוריה אורפן, גיאוביולוגית במכון הטכנולוגי של קליפורניה. בעוד שחיידקי כבלים פותרים את צרכי החיזור שלהם על ידי הובלה למרחקים ארוכים לתוך בוץ מחומצן, חיידקים אלה תלויים זה בחילוף החומרים של זה כדי לענות על צורכי החיזור שלהם.

כמה חוקרים עדיין מתווכחים על האופן שבו ננו-חוטים חיידקיים מוליכים אלקטרונים.לובלי ועמיתיו משוכנעים שהמפתח הוא שרשראות של חלבונים הנקראים פילינים, המורכבים מחומצות אמינו מעגליות. כאשר הוא ועמיתיו הפחיתו את כמות חומצות האמינו המצופות בפילין, הננו-חוטים הפכו פחות מוליכים. "זה היה ממש מדהים", אומר לאבלי, כי מקובל בדרך כלל שחלבונים הם מבודדים. אבל אחרים חושבים שהשאלה הזו רחוקה מפתרון. Orphan, למשל, אומר שלמרות ש"יש ראיות מוחצות… אני עדיין לא חושב שההולכה של הננו-חוט מובנת היטב".

מה שברור הוא שחיידקים חשמליים נמצאים בכל מקום. בשנת 2014, למשל, מדענים גילו חיידקי כבלים בשלושה בתי גידול שונים מאוד בים הצפוני: בביצת מלח גאות ושפל, באגן קרקעית הים שבו רמות החמצן יורדות לכמעט אפס בעונות מסוימות, ובמישור בוצי מוצף ליד הים. …. חוף. (הם לא מצאו אותם באזור חולי המאוכלס בתולעים שמצמצמות משקעים ומשבשות כבלים.) במקומות אחרים, חוקרים מצאו עדויות DNA לחיידקי כבלים באגני אוקיינוס עמוקים ודלים בחמצן, באזורי מעיינות חמים ותנאי קור. שפכים, ומנגרובים וגדות גאות באזורים ממוזגים וסובטרופיים כאחד.

חיידקי כבלים נמצאים גם בסביבות מים מתוקים.לאחר קריאת המאמרים של נילסן ב-2010 וב-2012, צוות בראשות המיקרוביולוג ריינר מקנשטוק בחן מחדש את ליבות המשקעים שנקדחו במהלך סקר זיהום מי תהום בדיסלדורף, גרמניה. "מצאנו את [חיידקי הכבלים] בדיוק איפה שחשבנו שנמצא אותם", בעומקים שבהם החמצן היה מדולדל, נזכר מקנשטוק, שעובד באוניברסיטת דואיסבורג-אסן.

חיידקי Nanowire נפוצים אפילו יותר. חוקרים מצאו אותם בקרקעות, בשדות אורז, במעיים עמוקים ואפילו במתקני טיהור שפכים, כמו גם במשקעים מתוקים ובמים. הם יכולים להתקיים בכל מקום שבו נוצרים ביופילמים, והנוכחות של ביופילם היא עדות נוספת לתפקיד הגדול שחיידקים אלה יכולים למלא בטבע.

המגוון הרחב של חיידקי הבוצה החשמלית מעיד גם על כך שהם ממלאים תפקיד חשוב במערכות אקולוגיות. לדוגמה, על ידי מניעת הצטברות של מימן גופרתי, חיידקי כבלים עשויים להפוך את הלכלוך למגורים יותר לצורות חיים אחרות. מקנשטוק, נילסן ואחרים מצאו אותם על או בסמוך לשורשים של עשב ים וצמחי מים אחרים המשחררים חמצן, שבו כנראה משתמשים חיידקים כדי לפרק מימן גופרתי. זה, בתורו, מגן על הצמחים מהגז הרעיל. השותפות "נראית מאוד אופיינית לצמחי מים", אמר מקנשטוק.

רוברט אלר, ביוגיאוכימאי ימי מאוניברסיטת סטוני ברוק, מאמין שחיידקים יכולים לעזור גם לחסרי חוליות רבים מתחת למים, כולל תולעים הבונות מאורות המאפשרות למים מחומצנים להיכנס לבוץ. הוא מצא חיידקי כבלים מדביקים את דפנות צינורות התולעים, ככל הנראה כדי שיוכלו להשתמש בחמצן זה כדי לאגור אלקטרונים. בתורם, תולעים אלה מוגנות מפני מימן גופרתי רעיל. "חיידקים הופכים את [המאורה] למגורים יותר", אומר אלר, שתיאר את הקישורים במאמר ביולי 2019 ב-Science Advances.

חיידקים גם משנים את תכונות הלכלוך, אומרת סירה מלקין, אקולוגית במרכז למדעי הסביבה של אוניברסיטת מרילנד. "הם יעילים במיוחד… מהנדסי מערכות אקולוגיות." חיידקי הכבלים "גדלים כמו אש בשדה קוצים", היא אומרת; בשוניות הצדפות הגאות, היא מצאה, סנטימטר מעוקב אחד של בוץ עשוי להכיל 2,859 מטר של כבלים המלטטים את החלקיקים במקומם, מה שעשוי להפוך את המשקע לעמיד יותר בפני אורגניזמים ימיים.

החיידק גם משנה את הכימיה של הלכלוך, הופך שכבות קרובות יותר לפני השטח ליותר בסיסיות ושכבות עמוקות יותר לחומציות יותר, מצא מלכין. שיפועים מסוג pH יכולים להשפיע על "מחזורים גיאוכימיים רבים", כולל אלה הקשורים לארסן, מנגן וברזל, לדבריה, ויוצרים הזדמנויות לחיידקים אחרים.

מכיוון שחלקים עצומים של כדור הארץ מכוסים בבוץ, אומרים החוקרים, סביר להניח שלחיידקים הקשורים לכבלים ולננו-חוטים תהיה השפעה על האקלים העולמי. חיידקי ננו-חוטים, למשל, יכולים לקחת אלקטרונים מחומרים אורגניים כמו דיאטומים מתים ואז להעביר אותם לחיידקים אחרים המייצרים מתאן, גז חממה רב עוצמה. בנסיבות שונות, חיידקי כבלים יכולים להפחית את ייצור המתאן.

בשנים הקרובות, "נראה הכרה רחבה בחשיבותם של החיידקים הללו לביוספרה", אומר מלכין. קצת יותר מעשר שנים אחרי שנילסן הבחין בהיעלמות המסתורית של מימן גופרתי מהבוץ של ארהוס, הוא אומר: "מסחרר לחשוב עם מה יש לנו עסק כאן".

הבא: טלפון המופעל על ידי חוטים מיקרוביאליים?

חלוצי החיידקים החשמליים חשבו במהירות כיצד להשתמש בחיידקים הללו."עכשיו, כשאנחנו יודעים שהאבולוציה הצליחה ליצור חוטי חשמל, זה יהיה חבל אם לא נשתמש בהם", אומר לארס פיטר נילסן, מיקרוביולוג מאוניברסיטת ארהוס.

יישום אפשרי אחד הוא איתור ובקרה של מזהמים. נראה כי חיידקי כבלים משגשגים בנוכחות תרכובות אורגניות כמו שמן, ונילסן וצוותו בודקים את האפשרות ששפע חיידקי הכבלים מאותתים על נוכחות של זיהום שלא התגלה באקוויפרים. החיידקים אינם מפרקים ישירות את השמן, אך הם יכולים לחמצן את הגופרית המיוצר על ידי חיידקים שמנים אחרים. הם יכולים גם לעזור לנקות; גשמים מתאוששים מהר יותר מזיהום נפט גולמי כאשר הוא מושב על ידי חיידקי כבלים, כך דיווחה קבוצת מחקר אחרת בינואר בכתב העת Water Research. בספרד, צוות שלישי חוקר האם חיידקי ננו-תיל יכולים להאיץ את הניקוי של אדמות ביצות מזוהמות. ועוד לפני שחיידקים מבוססי ננו-חוטים היו חשמליים, הם הראו את ההבטחה לניקוי פסולת גרעינית ואקוויפרים המזוהמים בפחמימנים ארומטיים כמו בנזן או נפתלין.

חיידקים חשמליים יכולים גם להוליד טכנולוגיות חדשות. ניתן לשנות אותם גנטית כדי לשנות את הננו-חוטים שלהם, שאותם ניתן לנתק כדי ליצור את עמוד השדרה של חיישנים לבישים רגישים, על פי דרק לוולי, מיקרוביולוג מאוניברסיטת מסצ'וסטס (UMass), אמהרסט. "אנחנו יכולים לעצב ננו-חוטים ולהתאים אותם לקשור ספציפית תרכובות של עניין." לדוגמה, בגיליון Lovely של 11 במאי של Nano Research, מהנדס UMass Jun Yao ועמיתיהם תיארו חיישן מבוסס ננו-חוטים המזהה אמוניה בריכוזים הדרושים ליישומים חקלאיים, תעשייתיים, סביבתיים וביו-רפואיים.

נוצר כסרט, חוטי ננו יכולים לייצר חשמל מלחות באוויר.חוקרים מאמינים שהסרט מייצר אנרגיה כאשר מתרחש שיפוע לחות בין הקצוות העליונים והתחתונים של הסרט. (הקצה העליון רגיש יותר ללחות.) כאשר אטומי המימן והחמצן של המים נפרדים בגלל השיפוע, נוצר מטען ואלקטרונים זורמים. יאו והצוות שלו דיווחו ב-Nature ב-17 בפברואר שסרט כזה יכול ליצור מספיק אנרגיה כדי להדליק דיודה פולטת אור, ו-17 מכשירים כאלה המחוברים יחד יכולים להפעיל טלפון נייד. הגישה היא "טכנולוגיה מהפכנית לייצור אנרגיה מתחדשת, נקייה וזולה", אומר Qu Lianti, מדען חומרים באוניברסיטת Tsinghua. (אחרים זהירים יותר, ומציינים שניסיונות העבר לסחוט אנרגיה מתוך לחות באמצעות גרפן או פולימרים לא צלחו.)

בסופו של דבר, החוקרים מקווים לרתום את היכולות החשמליות של חיידקים מבלי להתמודד עם חיידקים בררניים. קאץ', למשל, שכנע את חיידק המעבדה והתעשייתי הנפוץ Escherichia coli לייצר ננו-חוטים. זה אמור להקל על החוקרים בייצור המוני של המבנים וללמוד את היישומים המעשיים שלהם.