Dla większości organizmów i części bakterii tlen jest niezbędny do oddychania komórkowego. Z chemicznego punktu widzenia oddychanie to rodzaj reakcji utleniania i redukcji – procesu chemicznego, który zasadza się na przekazywaniu i odbieraniu elektronów. Tlen jest wykorzystywany przez organizmy żywe, bo chętnie je przyjmuje – znacznie chętniej od powszechniejszego w powietrzu azotu.

Gdy brakuje tlenu, można wykorzystać inne źródła, co wykorzystują bakterie beztlenowe. Redukują co się da – od bardziej złożonych związków organicznych, przez proste związki azotu i siarki, po samą czystą siarkę (z której tworzą siarkowodór).

Bakterie, które oddychają żelazem

W 1987 roku świat zelektryzowało niezwykłe odkrycie. W osadach z rzeki Potomak uczony Derek Loveley znalazł nowy gatunek bakterii, które nazwano Geobacter metallireducens. Były pierwszymi organizmami, które redukowały metale – a konkretnie atomy żelaza. Innymi słowy, oddychały żelazem. Z czasem odkryto także taki gatunek bakterii z tego rodzaju, który mógł redukować uran (nazwano go, rzecz jasna, Geobacter uranireducens).

Potem zrobiło się jeszcze ciekawiej. Okazało się, że Geobacter wcale nie potrzebują nawet metalu. Gdy umieści się je w warunkach, w których go nie mają, wytwarzają „włosy”. Nie jest to w świecie bakterii nic dziwnego, bowiem wiele mikroorganizmów tworzy takie struktury.  Dlaczego jednak bakterie wytwarzały je, gdy brakowało im żelaza?

Bakterie, które żywią się prądem

Naukowcy przypuszczali, że dzięki tym strukturom bakterie oddają do otoczenia wolne elektrony. Jednak trudno to było potwierdzić. Udało się to dopiero dzięki platynowym elektrodom wykonanym w nanoskali. Okazało się, że elektrody odbierają z włosów o długości kilku mikrometrów miliardy elektronów na sekundę.

– To był dowód na to, że włosy te są rodzajem nanodrutów, które transportują elektrony pomiędzy żywym organizmem a światem zewnętrznym – uważa Mohamed El-Naggar, który udowodnił to za pomocą eksperymentu.

Można powiedzieć, że bakterie za pomocą takich przewodzących elektrony struktur w zasadzie „żywią się prądem”. Inne badania wykazały, że różne bakterie należące do rodzaju Geobacter potrafią podejmować ze sobą współpracę. Połączone zaś przez badaczy z koloniami Shewanella przesyłają sobie nawzajem elektrony: jeden gatunek je oddaje, a drugi odbiera. W pewnym sensie można o nich myśleć jak o superorganizmie, który żywi się prądem elektrycznym.

Czy to przewody? Nie, to fabryki przewodów

Jednak nie wszystkie bakterie z tego rodzaju tworzą takie struktury. Na przykład odkryte później Geobacter uranireducens takich struktur nie wytwarzają. Oznaczało to, że musi istnieć jakiś inny sposób transportu elektronów niż wychodzące z powierzchni bakterii przewody.

A teraz w pracy opublikowanej na łamach prestiżowego czasopisma naukowego „Nature” badacze donoszą, że „włosy” produkowane przez bakterie nie służą im wcale do przewodzenia prądu. Spełniają inną rolę. To, co uważaliśmy za przewody, to w istocie tylko (a może aż) mikroskopijne fabryki przewodów.

Yangqi Gu i Vishok Srikanth do badania bakteryjnych włosków wykorzystali mikroskop krioelektronowy. Odkryli, że struktury te składają się z dwóch różnych białek. I nie służą wcale do przewodzenia elektronów. Działają jak tłoki, które na zewnątrz wypychają właściwe przewody.

Właściwe przewody są zaś złożone z innego białka, które może przewodzić elektrony. Do tej pory umykało to uwadze badaczy. Nic dziwnego, ze Geobacter uranireducens w tajemniczy sposób redukował uran „na odległość”.

Od bakteryjnych przewodów do żywych układów elektrycznych

Zrozumienie, jak bakterie tworzą „sieć przewodów” pozwoli je wykorzystać do wielu różnych celów. Badacze wymieniają m.in. zwalczanie innych bakterii powodujących choroby, oczyszczanie gleby z zanieczyszczeń, tworzenie żywych obwodów elektrycznych, a nawet samonaprawiającej się „żywej elektroniki”. Ta ostatnia zresztą całkiem niedawno już powstała.

W kwietniu 2020 roku badacze z innej uczelni, University of Massachusetts w Amherst, stworzyli z białek produkowanych przez Geobacter układy elektroniczne. To memrystory, które mogą spełniać rolę procesora i pamięci jednocześnie. Produkcja takich układów pozwoliłaby na budowanie komputerów, które nie tracą czasu na przenoszenie informacji z pamięci operacyjnej do procesora i z powrotem (czyli tak zwanego „wąskiego gardła von Neumana”).

Takie układy mają niezmiernie ciekawą cechę – przystosowują się do bodźców, które na nie działały wcześniej. Przypomina to zasadę, na jakiej działają neurony. Sieci złożone z takich elementów będą mogły się uczyć – znacznie łatwiej i szybciej niż dzisiejsze sieci neuronowe. Te bowiem są tylko symulacją działania neuronów w zwykłych komputerach.

Źródła: