Całkiem niedawno dziennikarz Carl Zimmer opublikował w czasopiśmie „New York Times” tekst: Wired Bacteria Form Nature’s Power Grid: ‘We Have an Electric Planet’ [Bakterie tworzące sieć elektryczną w przyrodzie za pomocą przewodów – oto planeta elektryczności]. Bakterie elektroaktywne wytwarzały energię elektryczną za pomocą „przewodów” na długo przed odkryciem elektryczności przez człowieka. Warto więc przyjrzeć się temu zjawisku i je przeanalizować. Jak te bakterie nauczyły się tak wyszukanej sztuki?
Jak widać na twitterze, Zimmer nie ukrywa swojego zdumienia pisząc, że: „odkrycie drobnoustrojów tworzących przewody elektryczne na całym świecie – jest zadziwiające”. Choć otwarcie opowiada się on za niekierowaną darwinowską ewolucją, to w swoim artykule nie wyjaśnia, w jaki sposób bakterie mogły uzyskać tę zdolność drogą ewolucji.
Zimmer nie jest jedynym uczonym, który przyznaje się do swojego zdumienia. Bakterie elektroaktywne nie były znane aż do 1993 roku, kiedy Derek Lovley z University of Massachusetts w Amherst odkrył i opisał Geobacter metallireducens. W artykule opublikowanym na stronie – „New Scientist” w 2010 roku Lovley wyraził się następująco:
Wytwarzają przewody biologiczne, aby przekazywać energię w postaci elektronów […]. Myślę, że to prawdopodobnie jedna z najbardziej zaskakujących rzeczy, jakie widziałem w pracy jako mikrobiolog1.
Jak oddychamy
Aby lepiej zrozumieć to zjawisko, należy przypomnieć podstawową wiedzę dotyczącą procesu oddychania. Zaawansowanym organizmom wielokomórkowym tlen jest niezbędny do życia. W trakcie oddychania tlenowego jest on końcowym akceptorem elektronów w łańcuchu oddechowym. U części organizmów, na przykład u niektórych bakterii, proces oddychania przebiega beztlenowo, a akceptorami elektronów okazują się być inne cząsteczki niż tlen. Odpowiednim środowiskiem dla tego rodzaju bakterii jest środowisko beztlenowe. Niektóre drobnoustroje namnażają się w miejscach, w których nie ma tlenu lub jest go za mało do oddychania. Występują one w środowisku, gdzie obecne są liczne związki chemiczne pełniące tą samą funkcją, co tlen. W gruncie rzeczy tlen jest trujący dla wielu bakterii. Jedna grupa drobnoustrojów z pośród tych anaerobów posiada zdolność do wytwarzania energii elektrycznej. Żyją one wiele metrów pod powierzchnią Ziemi, a nawet na dnie oceanu. Są przystosowane do życia w środowiskach nieprzyjaznych dla większości innych form życia.
Bakterie z rodzaju Geobacter „oddychają” dzięki takim pierwiastkom jak: żelazo, siarka czy uran. Wykorzystują one mikrobiologiczne nanoprzewody przekazujące energię elektryczną (w postaci przepływających elektronów). Te swoiste przewody to filamenty, które zgodnie z Wikipedią zwane są jako „pilusy” (l.poj.: pilus), w języku łacińskim oznaczają „włosy”. Są one cienkimi wypustkami podobnymi do pręcików o rozmiarze około 1/100.000 szerokości ludzkiego włosa.
Bakterie mogą mieć na swojej powierzchni dziesiątki pilusów. Pełnią one różne funkcje, które umożliwiają przyleganie do powierzchni, wzajemny transfer fragmentów DNA (koniugacja), poruszanie się i ślizganie. Okazuje się, że najbardziej zaskakującym przeznaczeniem pilusów, które odkryto u bakterii elektroaktywnych, jest tworzenie połączeń elektrycznych z minerałami, a następnie z sobą nawzajem.
Podobnie napisano w innym artykule z 2010 roku dla „New Scientist”:
Niektórzy badacze uważają, że bakterie żyjące w osadach oceanicznych łączą się nanoprzewodami tworząc sieć. Te drobne filamenty białkowe mogą przenosić elektrony tam, i z powrotem, umożliwiając życie całej kolonii bakterii jako jeden superorganizm. Lars Peter Nielsen z Uniwersytetu Aarhus w Danii wraz ze swoim zespołem wykrył ciekawe świadectwa na poparcie tej kontrowersyjnej hipotezy. „To odkrycie było niemal magiczne” – powiedział Nielsen. „Jest to sprzeczne ze wszystkim, co do tej pory wiedzieliśmy. Mikroorganizmy mogą żyć w symbiozie elektrycznej na duże odległości. Nasze rozumienie tego, jak wygląda ich życie, co mogą, a czego nie mogą – o tym wszystkim musimy odtąd myśleć inaczej2.
Wyspecjalizowane pilusy (cienkie mostki cytoplazmatyczne) bakterii z gatunku Geobacter sulfurreducens przewodzą elektrony z wnętrza komórki do cząsteczki żelaza znajdującej się poza komórką, która jest końcowym akceptorem elektronów w procesie oddychania. To zasadnicza różnica, ponieważ u ludzi (oraz większości zwierząt, grzybów i roślin), tę funkcję spełnia cząsteczka tlenu. Wewnątrz naszych komórek podczas oddychania elektrony są odrywane od utlenionych form paliw, takich jak węglowodany. Skutkiem utleniania jest utrata elektronów w tych cząsteczkach. Elektrony łączą się następnie z wolnym tlenem z powietrza, którym oddychamy3. Produktem reakcji redukcji tlenu jest woda, ponieważ zachodzi ona dzięki przyłączaniu elektronów. Bez końcowego akceptora przepływ elektronów zatrzymuje się, co oznacza zatrzymanie procesu oddychania, a co za tym idzie – dostarczania energii z paliw.
Jeśli końcowy akceptor elektronów przyjmuje postać stałą, tak jak żelazo, nie można go w prosty sposób zaimportować do komórki. Rozwiązaniem jest pozostawienie go poza komórką i przesłanie do niego elektronów. Wyspecjalizowane pilusy przewodzą elektrony z układu oddechowego – to znaczy z systemu transportu elektronów oraz w procesie fosforylacji oksydacyjnej wymaganych do wytworzenia ATP, waluty energetycznej w komórce – do końcowego akceptora elektronów. Nanoprzewody należą do najmniej znanych nam przewodów elektrycznych. Pamiętajmy jednocześnie, że wspomniane bakterie były zdolne do ich wytwarzania na długo przed odkryciem elektryczności przez człowieka.
Cud mikrotechnologii
Budowa wewnętrzna nanoprzewodów jest bardzo złożona – to swoisty cud mikrotechnologii. Na początku tego roku badacze z University of Virginia znacznie przybliżyli się do odkrycia struktury. Okazuje się, że nanoprzewody posiadają rdzeń zbudowany z precyzyjnie ułożonych, uporządkowanych i przestrzennie rozmieszczonych cząsteczek hemu [żelazoporfiryny] (aktywnej części hemoglobiny w krwinkach czerwonych). Są one ułożone w linii, tworząc ścieżkę, przez którą przepływają elektrony:
Jak napisał [Edward H.] Egelman z Wydziału Biochemii i Genetyki Molekularnej UVA: „Technologia [potrzebna do zrozumienia budowy nanoprzewodów] nie istniała aż do czasu, gdy około pięć lat temu dokonano postępów w mikroskopii krio-elektronowej, która pozwoliła na uzyskanie większej rozdzielczości”. Jesteśmy w posiadaniu jednego z tych mikroskopów, a co za tym idzie – mamy także możliwość właściwego zrozumienia struktury tych włókien na poziomie atomowym”. W raporcie o wynikach jego badań napisano: „Niektórzy naukowcy sądzili, że bakterie z gatunku Geobacter sulfurreducens potrafią przewodzić prąd elektryczny przez uwspólnione, przypominające włosy, wyrostki zwane pilusy. Co więcej, grupa naukowców ze Szkoły Medycznej ustaliła, że bakterie przekazują elektryczność przez włókna o doskonale uporządkowanej strukturze wykonane z zupełnie innego białka. Wewnątrz tych białek, o strukturze czwartorzędowej, znajdują się centralnie położone cząsteczki metalu pomiędzy którymi następuje przesyłanie elektronów, podobnie jak to ma miejsce wewnątrz przewodu elektrycznego zawierającego po prostu drut. Jednak ten „nanoprzewód” jest 100.000 razy mniejszy niż szerokość ludzkiego włosa4.
Dlatego bakterie z rodzaju Geobacter posiadają wysoce wyspecjalizowane pilusy do przewodzenia prądu – struktury o zwykłej budowie nie byłyby w tym przypadku użyteczne.
Naukowcy z UVA opublikowali swoje wyniki w czasopiśmie „Cell”. Następujące szczegóły strukturalne nadają sens tej złożoności:
Konstrukcja nanoprzewodów bakterii z gatunku G. sulfurreducens zbudowana jest z polimerów złożonych z sześciu cząsteczek hemu. W tym białkowym przewodzie – cytochromie OmcS – cząsteczki hemu upakowane są w odległości 3,5 – 6 Å [1 Å = 10-10 m]. Połączenia między podjednostkami są elementami unikalnej struktury, cząsteczki hemu ułożone są równolegle między innymi podjednostkami precyzyjnie na osi stabilizowanej przez histydynę z sąsiednich podjednostek. Włókna OmcS typu dzikiego wykazują 100-krotnie większe przewodnictwo właściwe niż inne włókna ze szczepu ΔomcS, co podkreśla znaczenie cytochromu OmcS w procesie przewodnictwa w tych nanoprzewodach. Ta struktura wyjaśnia niezwykłą zdolność bakterii glebowych do transportu elektronów akceptorom znajdujących się na zewnątrz komórki, co umożliwia proces oddychania i współdzielenia energii5.
Sprytne rozwiązania natury
W obliczu wielu problemów natura tworzy rozwiązania, które pod wieloma względami przewyższają swoim zaawansowaniem urządzenia wykonane przez człowieka. W jednym z artykułów opublikowanych na łamach czasopisma „Environmental Science”, które jest wydawane przez Royal Society of Chemistry, napisano, że niektóre drobnoustroje potrafią łączyć się wzajemnie, tworząc coś w rodzaju długich, żywych przewodów pozwalających docierać im do głębin pozbawionych tlenu. Gdy naukowcy zaczęli doceniać genialne rozwiązania natury, biomimetyka stała się szybko rozwijającą się dziedziną nauki. Nanoprzewody oraz inne struktury będące cudownymi rozwiązaniami natury, mogą stanowić dla nas źródło inspiracji. Derek Lovley ujął to w następujący sposób:
W stosunku do materiałów wytworzonych przez człowieka, nanoprzewody tych drobnoustrojów są materiałem bioelektrycznym o rewolucyjnym charakterze i wielu zaletach. Sztuczna synteza tych struktur w laboratorium wymaga użycia toksycznych związków chemicznych, wysokich temperatur i/lub drogich metali. Zapotrzebowanie energetyczne tej procedury jest ogromne. Okazuje się, że naturalne nanoprzewody mikrobiologiczne można syntetyzować na masową skalę w temperaturze pokojowej, z niedrogich surowców odnawialnych w bioreaktorach i wykorzystując znacznie mniej energii. Co więcej, produkt końcowy wolny jest od związków toksycznych6.
Początki ewolucji
To, w jaki sposób elektrony są przekazywane na duże odległości, przestało stanowić zagadkę od lat dziewięćdziesiątych XX wieku, dzięki licznym eksperymentom z zakresu fizjologii, biochemii i elektrochemii. Transfer elektronów możliwy jest tylko dzięki określonej strukturze pilusów bakterii G. sulfurreducens. Podobnie jak w przypadku wielu innych układów, tylko precyzyjnie skonfigurowane systemy są w pełni funkcjonalne. Sposób powstania takich systemów drogą niekierowanej ewolucji pozostaje bardzo niejasny. Jeden z niewielu artykułów dotyczących pochodzenia pilusów przewodzących elektrony zawiera następujące twierdzenie:
Otrzymane wyniki sugerują, że e-pilusy (przewodzące elektryczność pilusów) bakterii z gatunków Geobacter sulfurreducens i Geobacter metallireducens oraz przypuszczalnie innych spokrewnionych z nimi gatunków, są stosunkowo nowym wytworem ewolucji7.
Do zbudowania takich cudownych przewodów potrzebna jest zaawansowana nanotechnologia. Powyższemu twierdzeniu nie towarzyszy żadne szczegółowe lub przekonujące wyjaśnienie dotyczące sposobu pojawienia się tego „rozwoju ewolucyjnego”.
Nie wiadomo skąd bakterie z gatunku G. sulfurreducens „wiedzą”, jak składać cząsteczki w dokładne sekwencje, by uzyskać funkcjonalną strukturę swoich pilusów. Wymienione kroki wymagają obecności wielu elementów, w tym białek opiekuńczych (zwanych chaperonami). Oczywiście kluczowym pytaniem jest to, czy można wytłumaczyć powstanie tych niesamowitych struktur, jakimi są bakteryjne pilusy, tylko za pomocą mechanizmów ewolucji, bez odwoływania się do teorii inteligentnego projektu. Nieredukowalna złożoność ich budowy zdecydowanie wskazuje na projekt. Przewody muszą być zbudowane we właściwy sposób, tak, by ich części były dokładnie uporządkowane i ułożone we właściwej kolejności. Przeprowadzenie kilku eksperymentów pozwoliło wykazać, że jeśli ten układ filamentów nie jest prawidłowo zbudowany, przewodzenie elektronów jest niemożliwe.
Carlowi Zimmerowi warto więc zadać dwa następujące pytania: skąd pochodzą bakteryjne nanoprzewody? I w jaki sposób powstały?
Otangelo Grasso
Oryginał: Electroactive Bacteria: A “Mind-Blowing” Case of Intelligent Design, „Evolution News & Science Today” 2019, October 28 [dostęp 09 I 2020].
Przekład z języka angielskiego: Anna Nehring-Rupińska
Źródło zdjęcia: Labroots
Ostatnia aktualizacja strony: 10.01.2020
Przypisy
- S. Gupta, Life Electric: Microbes Wire Up to Share Energy, „New Scientist” 2010, December, 2 [dostęp 10.12.2019] (podkreślenie własne).
- C. Brahic, The Real Avatar: Ocean Bacteria Act As “Superorganism”, „New Scientist” 2010, Vol. 205, No. 2749, s. 11 (podkreślenie własne) [dostęp 11 XII 2019].
- Elektrony rozrywają cząsteczkę tlenu (O2) pobraną w procesie wymiany gazowej, które następnie tworzą 2 grupy – OH (hydroksylowe – jedna połączona z żelazem, druga z miedzią), które to w następnym etapie przyłącza protony tworząc dwie cząsteczki wody (przyp. tłum.).
- F. Wang i in., Electricity-Conducting Bacteria Yield Secret to Tiny Batteries, Big Medical Advances, University of Virginia (podkreślenie własne) [dostęp 12 XII 2019].
- F. Wang i in., Structure of Microbial Nanowires Reveals Stacked Hemesthat Transport Electrons over Micrometers, „Cell” 2019, Vol. 177, No. 2, s. 361-369 (podkreślenie własne) [dostęp 12 XII 2019].
- D. Lovley, Developing „Green” Electronics: Team Finds Microbe From The Potomac Yields Better Electronic Material, University of Massachusetts Amherst (podkreślenie własne) [dostęp 12 XII 2019].
- D.E. Holmes i in., The Electrically Conductive Pili of Geobacter Species Are a Recently Evolved Feature For Extracellular Electron Transfer, „Microbial Genomics”2016, Vol. 2, No. 8, s. 18 [1-20] (podkreślenie własne) [dostęp 12 XII 2019].
Literatura:
- Brahic C., The Real Avatar: Ocean Bacteria Act As “Superorganism”, „New Scientist” 2010, Vol. 205, No. 2749, s. 11 [dostęp 11 XII 2019].
- Gupta S., Life Electric: Microbes Wire Up to Share Energy, „New Scientist” 2010, December, 2 [dostęp 10.12.2019].
- Holmes D.E. i in., The Electrically Conductive Pili of Geobacter Species Are a Recently Evolved Feature For Extracellular Electron Transfer, „Microbial Genomics” 2016, Vol. 2, No. 8, s. 1-20 [dostęp 12 XII 2019].
- Lovley D., Developing „Green” Electronics: Team Finds Microbe From The Potomac Yields Better Electronic Material, University of Massachusetts, Amherst [dostęp 12 XII 2019].
- Wang F. i in., Electricity-Conducting Bacteria Yield Secret to Tiny Batteries, Big Medical Advances, University of Virginia [dostęp 12 XII 2019].
- Wang F. i in., Structure of Microbial Nanowires Reveals Stacked Hemesthat Transport Electrons over Micrometers, „Cell” 2019, Vol. 177, No. 2, s. 361-369 [dostęp 12 XII 2019].