Bakterie Geobacter potrafią oddawać elektrony do minerałów znajdujących się poza komórką
Dla człowieka oddychanie kojarzy się z tlenem w płucach, ale na poziomie komórkowym kluczowy jest przepływ elektronów do końcowego akceptora. Bakterie Geobacter mogą wykorzystywać nierozpuszczalne związki żelaza znajdujące się poza komórką. Muszą więc wyprowadzić elektrony przez osłony komórkowe do powierzchni minerału. W procesie uczestniczą cytochromy i przewodzące filamenty białkowe. Co ciekawe, słynne „bakteryjne nanodruty” okazały się bardziej złożone, niż początkowo sądzono: nowsze badania zmieniły interpretację roli pili i wskazały na filamenty z cytochromów.
Oddychanie to nie synonim tlenu
W biochemii oddychanie polega na przekazywaniu elektronów z donora przez zestaw przenośników do końcowego akceptora. Człowiek wykorzystuje tlen, ponieważ jest wygodnym i energetycznie korzystnym akceptorem. Mikroorganizmy dysponują jednak szerszym repertuarem. Geobacter może utleniać związki organiczne i przekazywać elektrony do Fe(III) w nierozpuszczalnych tlenkach żelaza. Problem jest fizyczny: minerał nie przeniknie przez błonę do wnętrza komórki, więc elektrony muszą powędrować na zewnątrz.
Elektron poza komórką
Geobacter wykorzystuje białka redoksowe w błonie i na powierzchni komórki, szczególnie cytochromy typu c. Dzięki nim przepływ elektronów może zostać przedłużony poza błonę do nierozpuszczalnego akceptora. Jest to tzw. extracellular electron transfer. W glebie czy osadzie oznacza to możliwość „oddychania” minerałem, którego bakteria dotyka lub z którym łączy się przewodzącą strukturą. Z punktu widzenia geochemii takie reakcje wpływają na ruchliwość żelaza, innych metali i wielu związanych z nimi pierwiastków.
Historia bakteryjnych nanodrutów
W 2005 roku opisano przewodzące pili Geobacter i zaproponowano, że działają jak biologiczne nanodruty. Koncepcja stała się bardzo popularna. Późniejsze badania strukturalne pokazały jednak, że część filamentów odpowiedzialnych za przewodzenie ma inną naturę: zbudowane są z cytochromów takich jak OmcS lub OmcZ, a klasyczne pili mogą pełnić rolę w ich eksporcie i organizacji zamiast samodzielnie przewodzić elektrony w proponowany pierwotnie sposób. To dobry przykład nauki korygującej atrakcyjny model, gdy pojawia się lepsza mikroskopia.
Dlaczego natura potrzebuje takiej sztuczki
W środowisku beztlenowym tlen nie może pełnić roli akceptora elektronów, a nierozpuszczalne tlenki metali mogą być obfite. Zdolność do zewnętrznego transferu elektronów otwiera więc niszę energetyczną niedostępną dla organizmu ograniczonego do rozpuszczalnych cząsteczek. Bakteria nie „zjada kamienia” w potocznym sensie. Wykorzystuje jednak jego utleniony składnik jako część obwodu metabolicznego, a chemiczna postać minerału zmienia się w rezultacie reakcji.
Od osadu do elektrody
Jeżeli bakteria potrafi oddawać elektrony nierozpuszczalnemu minerałowi, może też przekazywać je odpowiednio ustawionej elektrodzie. Ta właściwość jest podstawą badań nad mikrobiologicznymi ogniwami paliwowymi, bioelektroniką i biosensorami. Nie oznacza to, że kolonie Geobacter są gotowym zamiennikiem elektrowni; ich moce i warunki pracy są zupełnie inne. Są jednak wyjątkowym modelem biologicznego kontaktu między metabolizmem a obwodem elektrycznym.
Najważniejsza zmiana intuicji
W szkolnym obrazie komórka jest chemicznie zamknięta, a reakcje energetyczne zachodzą wewnątrz jej błon. Geobacter pokazuje, że granica komórki nie musi być granicą łańcucha elektronowego. Organizm może rozszerzyć metabolizm na otoczenie, wykorzystując białka powierzchniowe i filamenty przewodzące. To nie tylko „bakteria produkująca prąd”, lecz organizm, którego fizjologia została dopasowana do wykonywania reakcji redoks z ciałem stałym znajdującym się poza nim.
Dlaczego korekta modelu jest ważna
Historia Geobacter pokazuje też wartość rozróżniania faktu od mechanizmu. Sam zewnętrzny transfer elektronów do minerałów jest bardzo dobrze potwierdzony. Dyskusja dotyczyła tego, które dokładnie filamenty przewodzą i jak są zbudowane. W dobrym opisie ciekawostki nie trzeba porzucać efektownego zjawiska, gdy zmienia się wyjaśnienie — trzeba zaktualizować mechanizm zgodnie z lepszymi danymi.