iPon Cikkek

Elektronevők

Dátum | 2016. 06. 29.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

Amikor Moh El-Naggar biofizikus és doktorandusz hallgatója, Yamini Jangir egy évvel ezelőtt leereszkedtek a dél-dakotai Black Hills egyik régi aranybányája, a látogatók többségével ellentétben nem az annak egyik tárnájában helyet kapó sötétanyag-detektor, a LUX érdekelte őket. A Dél-Kaliforniai Egyetem tudósai nem szubatomi részecskék, hanem élet után kutattak a mélyben. A több mint másfél kilométer mélyen vizsgálódó páros mintát vett a tárnákban futó rozsdás csövekben található vízből, majd azt egy tartályba helyezve elektródákat helyezett a folyadékba. A szakértők azt remélték, hogy az így keltett áram révén előcsalogathatják célpontjukat, azt a kevéssé ismert mikrobatípust, amely elektromosságon él. Az elektromos baktériumok az élővilág egy méretes, ám szinte teljesen ismeretlen szeletéhez tartoznak, amelyet csak mostanában kezdenek felderíteni a kutatók. Jobbára ritkán vizsgált élőhelyeken élnek, például a mélytengeri kürtőkben, a mélyen a kéregben húzódó ásványi erekben, illetve néhány centiméterrel a tengerfenék alatt. Eddigi vizsgálatuk hiányosságának a nehéz megközelíthetőség mellett az is az oka, hogy ezeket a mikrobákat rendkívül nehéz laborkörülmények közt tenyészteni, vélhetően éppen különleges élőhelyi körülményeik miatt. Az a kevés eddigi kutatás, ami ezekkel az élőlényekkel foglalkozott, viszont nagyon ígéretes eredményeket produkált. Néhány nemrégiben a dél-kaliforniai partoknál begyűjtött tengerfenéki mintában rengetegféle olyan mikrobát találtak, amely elektronokat fogyaszt vagy termel, miközben ásványokat, illetve fémeket eszik vagy lélegzik be. El-Naggar csapata még nem végzett az aranybányából származó minták elemzésével, de előzetes eredményeik alapján egy szintén rendkívül sokszínű mikrobiális közösség képe vázolódik fel. Jelenleg nagyon úgy tűnik, hogy ha a kutatók a megfelelő helyen, vagyis ásványokban gazdag, oxigénben szegény környezetben kutatnak az elektromos baktériumok után, előbb-utóbb ráakadnak ezekre. És ahogy egyre több elektronevő fajt fedeznek fel a kutatók, úgy válik egyre világosabbá az is, hogyan működnek ezek a lények. Vagyis az, hogyan kebelez be egy baktérium elektronokat egy darabka fémről, vagy hogyan „termel” ilyen részecskéket. Egy tavaly megjelent tanulmány szerzői részletesen leírják, hogyan eszik elektromosságot az egyik ilyen faj, egy még nem publikált munkában pedig arról számolnak be a kutatók, hogy bizonyos fémevők közvetlenül membránjainkon keresztül transzportálják az elektronokat, amiről mostanáig úgy hitték a szakértők, hogy nem lehetséges. Bár az elektromosság bakteriális fogyasztása első hallásra meglepőnek tűnhet, a töltésáramlás minden életforma létében fontos szerepet tölt be. Minden élőlénynek szüksége van elektronforrásokra, hogy energiát tudjon elraktározni, majd az elektronoktól meg is kell tudniuk szabadulni, hogy mozgósíthassák készleteiket. Ahogy Szent-Györgyi Albert oly találóan megfogalmazta, „az élet nem más, mint fehérjék felszínén táncoló elektronok.” Az emberek és sok más organizmus a táplálékkal jut hozzá az elektronokhoz, majd a részecskéket kilélegezve szabadul meg ezektől. Az El-Nagar és társai által tanulmányozott mikrobák úgynevezett litoautotróf fajok, vagyis szervetlen anyagokból, vasból, kénből vagy mangánból jutnak hozzá a negatív töltésű részecskékhez, és megfelelő körülmények között ezek elegendőek is túlélésükhöz.
Elektronevő baktérium (narancssárga) szénszálas elektródán
Az elektronok fogyasztásának képessége, vagyis a közvetlen elektronszállítás azért különösen érdekes, mert látszólag ellentmond a biofizika szabályainak. A sejteket körülvevő foszfolipid membránok ugyanis szigetelőkként viselkednek, így az elektronok elviekben ezeket nem lehetnének képesek áthidalni. „Először senki sem akarta elhinni, hogy egy baktérium fel tud venni egy elektront a sejten kívülről, majd azt belülre juttatni” – mondta Kenneth Nealson, a Dél-Kaliforniai Egyetem geobiológusa egy tavaly Londonban tartott konferencián. Nealson és kollégái az 1980-as években fedezték fel az első olyan baktériumokat, amelyek közvetlenül képesek elektronokat átadni szilárd ásványoknak. Egészen 2006-ig kellett várni, mire a folyamat molekuláris mechanizmusát sikerült felderíteni. Ennek lényege a következő: a sejtmembránban három speciális fehérje üldögél, amelyek vezető hidat képeznek a sejt belseje és a külső környezet között, lehetővé téve az elektronok kiáramlását. A folyamat kutatói munka közben azon kezdtek gondolkodni, hogy vajon ezen procedúra fordítva is működhet-e, vagyis lehetséges-e, hogy léteznek olyan mikrobák, amelyek közvetlenül elektronokat vesznek fel környezetükből, és így termelnek energiát. Vizsgálódásaikat a metanogén baktériumokra fókuszálták, amelyek metánt termelnek. Ezek a mikrobák ugyan alapesetben nem szigorú fémevők, de 2009-ben Bruce Logan-nek (Pennsylvaniai Állami Egyetem) sikerült igazolnia, hogy képesek túlélni akkor is, ha kizárólag egy elektródától jutnak energiához. A szakértők úgy sejtették, hogy a baktériumok az előzőekben ismertetett módon, egy fehérjehíd segítségével szippantják fel az elektronokat, bizonyítékot azonban nem sikerült találniuk ennek alátámasztására.
Tavaly aztán Alfred Spormann, a Stanford mikrobiológusa megmutatta, hogy Logan elméletével gondok vannak. A szakértő és kollégái a Methanococcus maripaludis nevű ősbaktériumot vizsgálták, és igazolták, hogy a mikroba egy enzimet termel, amely kiül az elektróda felszínére, és annak elektronjait a vízből származó protonokkal párosítja össze, hidrogén atomokat hozva létre. Ez utóbbiak pedig a metanogének megszokott táplálékai közé tartoznak, vagyis az egysejtűek nem magányos elektronokat kebeleznek be, így nincs szükségük vezető hidakra a sejtmembránjukban. Spormann eredményei ugyanakkor abból a szempontból nagyon meglepőek, hogy a sejtek által termelt enzimek többsége a sejten belül működik, és azon kívül gyorsan lebomlik. A metanogének említett enzimei viszont rendkívül stabilak, és a kísérletek alapján akár hat hétig is működőképesek maradhatnak az elektróda felületén. A kutató és kollégái ennek ellenére nem tartják kizártnak, hogy a metanogének és más mikrobák képesek lehetnek a közvetlen elektronfelvételre is. Spormann elmondása szerint máris találtak egy olyan fajt, amely minden jel szerint pontosan ezt teszi, de a részleteket egyelőre még nem publikálták. A kutatók helyzetét nehezíti, hogy a Földön élő mikrobák csak egy töredékét, a becslések szerint mindössze 2 százalékát lehet laborban tenyészteni. A szakértők azt remélik, hogy mikrobák táptalaj helyett elektródákon való növesztésével javíthatnak ezen az arányon, és ezáltal megismerhetőbbé tehetik a kérdéses élőlényeket. Sok jel utal arra, hogy ez a megközelítés működhet, erősíti meg Annette Rowe, El-Naggar kollégája is.
Rowe 2013-ban vasban gazdag tengerfenékből vett mintákban legalább 30 olyan mikrobafajt azonosított, amelyek igen elterjedtek a tengeri ökoszisztémákban, és képesek elektronokat „enni”. Mielőtt elkezdett ezekkel kísérletezni, senki sem sejtette, hogy ezek a fajok szervetlen anyagokból elektronokat tudnak felvenni, így az eredmények mindenkit meglepetésként értek. Ahogy a horgászok is különböző csalikkal igyekeznek magukhoz csalogatni az eltérő halfajokat, Rowe is különböző felszültségű elektródákkal próbálta a mintákból kinyerni a mikrobák eltérő csoportjait. Rögtön tudta, mikor akadt valami horogra, hiszen a töltésáramlás megváltozott: a fémevő baktériumok ugyanis negatív töltésáramlást generálnak, mivel a negatív elektródáról szívnak el elektronokat. A Rowe által begyűjtött baktériumok nagyon eltérő elektromos körülmények között virágoznak, ami arra utalhat, hogy különböző módszerekkel jutnak hozzá az elektronokhoz. A szakértő most új élőhelyeken folytatja kutatását, hogy újabb elektromos fajokat azonosíthasson. Egyrészt alacsony savasságú mélytengeri forrásokat vizsgál, másrészt az aranybányás minták elemzésében is részt vesz. „Azt próbáljuk megfejteni, hogyan működik az élet ilyen körülmények között” – mondja El-Naggar. „Azt már tudjuk, hogy az élet jóval mélyebbre nyúlhat, mint korábban gondoltuk, és sokkal több is van belőle, mint sejtettük, de egyelőre alig tudunk valamit arról, hogyan maradhatnak fenn ezek az élőlények.”
El-Naggar azt hangsúlyozza, hogy ezen életformák kutatása még alig vette kezdetét, és leginkább ahhoz a fázishoz hasonlítható, mint amikor az idegtani kutatások kezdeti időszakában a szakértők békákat böködtek elektródákkal, hogy összehúzódásra bírják azok izmait. „Hosszú ideig tartott, amíg megfejtették a háttérben húzódó folyamatokat” – mondja a kutató, aki azt is hozzáteszi, hogy mindössze 30 éve merült fel először, hogy a mikrobák szervetlen felületekről is képesek lehetnek elektronokat felvenni. Ezen életformák kutatása pedig azért is különösen érdekes lehet, mert új információkkal szolgálhat a földi élet eredetével kapcsolatban. Az egyik vonatkozó teória szerint az első élőlények ásványi felületeken alakultak ki, ahol az összegyűlt biológiai molekulák között katalizált reakciók kezdtek végbemenni. Az elektromos baktériumok kitölthetik ezen elmélet méretes lyukait. A fémevők továbbá más bolygók esetleges életformáival kapcsolatban is újdonságokat árulhatnak le, hiszen olyan extrém körülmények között élnek túl, amelyek például a marsi élet létét is elképzelhetővé teszik. A vörös bolygó ugyanis vasban gazdag, és folyékony víz is létezik a felszíne alatt, így elviekben minden adott ahhoz, hogy az elektromos baktérium megéljenek ott, mondja El-Naggar.
Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

4. ny
2016.06.29. 15:41
Az "elektromosságot eszik" kifejezés szörnyű.
A nanocsövön levő narancs bacis kép szép.
Nem sokat vettem le a cikkből
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
3. fairi ny
2016.06.29. 17:25
A lényeg a legtöbb élőlény az elektronokat kémiai vegyületekből nyeri.
http://lh3.ggpht.com/-TXGk-7CtnfE/Us6AfOto9fI/AAAAAAAAA38/TCEjo91-_B8/citric_acid_cycle%25255B12%25255D.jpg?imgmax=800
Híres citromsav ciklus, mikor NAD-ból NadH lesz akkor nyeri ki a mitokondriumod az elektronokat vegyületekből (1 mol NAD 2 mol elketront köt meg).
Ezek a bacik közvetlenül fel tudják venni vagy megkötni akár egy elektródából is. Szó szerint elektronokat esznek.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2. ny
2016.06.30. 00:27
> Ha protonok jutnak át a membránon, az mechanikai munkavégzést tesz lehetségessé, például egy bakteriális ostor mozgatását.

https://hu.wikipedia.org/wiki/Elektrontranszportl%C3%A1nc

Oké, akkor megvan.

Energetikailag (és entrópiailag) viszont nem tűnik lehetségesnek az, hogy rámásszanak egy (földelt) vasdarabra, és az idők végeztéig egyék az elektronokat.
Így a rendezetlen vasból rendezett élet lesz?
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. XiX
2016.07.11. 10:28
Protonpumpa
[idekatninjá!]

Jó tíz éve láttam egy proton pumpa molekula részletet (szépen leírták, miért megy át rajta), gondolom ez vót a lényeg.

Nem ez, de beleképzelem oda bentre
[idekatninjá]
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!