Глубоко под морским дном крохотные бактерии «выдыхают» электричество через длинные тонкие трубки, и теперь ученые обнаружили, как регулировать этот процесс. Почти все живые существа дышат кислородом, чтобы избавиться от лишних электронов при преобразовании питательных веществ в энергию.

Однако, не имея доступа к кислороду, почвенные бактерии, живущие глубоко под океаном или похороненные под землей на протяжении миллиардов лет, разработали уникальный способ дышать. Например, бактерии, которые принадлежат к роду Geobacter. Их можно найти по всему миру. Они находятся глубоко под землей в почвах, полностью лишенных кислорода. Люди полагаются на него, чтобы преобразовывать пищу в полезную энергию и поглощать электроны, оставшиеся от этого метаболического процесса. Если оставшиеся электроны накапливаются, они быстро станут токсичными для организма.

Так же, как и люди, микробы Geobacter генерируют ненужные электроны во время метаболизма, но у них нет доступа к кислороду, как у человека.

Чтобы избавиться от лишних электронов, бактерии покрывают себя тонкими проводящими нитями — нанопроволокой. Они переносят электроны от одних бактерий к другим, или минералам в окружающей среде, таким, как оксид железа. Эти тонкие нанопроволоки в 100 000 раз меньше ширины человеческого волоса и переносят электроны на огромные расстояния, в сотни и тысячи раз превышающие длину тела исходной бактерии.

«Я не могу дышать кислородом, который находится на расстоянии 100 метров от меня, — заявил Нихил Мальванкар, доцент кафедры молекулярной биофизики и биохимии в Йельском университете. — Каким-то образом бактерии используют эти нанопровода как трубку, которая в 100 раз больше их размера, чтобы дышать на таких больших расстояниях».

Этот впечатляющий подвиг генерирует электрический ток, поскольку электроны непрерывно проходят через длинные нанопроволоки. Хотя ученые обнаружили эти нанопроволоки еще в начале 2000-х годов, Мальванкар и его коллеги только недавно выяснили, из чего на самом деле сделаны сотовые трубки.

В недавнем исследовании команда ученых внимательнее изучила структуру пилей, предварительно удалив гены нанопроволок у выращенной в лаборатории бактерии Geobacter Sulfurreducens. С помощью криоэлектронной микроскопии ученые обнаружили два разных белка — PilA-N и PilA-C — в каждой нити. Раньше о такой конструкции никто не подозревал. Этот двухпозиционный переключатель позволит ученым контролировать работу и дыхание бактерий.

По словам авторов, понимание того, как бактерии создают нанопровода, позволит ученым настроить бактерии для выполнения множества функций — от борьбы с патогенными инфекциями или биологически опасными отходами до создания живых электрических цепей. Это также поможет ученым, стремящимся использовать бактерии для выработки электроэнергии, создания биотоплива и даже разработки самовосстанавливающейся электроники.