Duboko ispod morskog dna sitne bakterije tisućama godina "izdišu" električnu energiju kroz dugačke, tanke disalice; a sad je otkriveno kako se uključuje i isključuje njihov "električni dah".

Nanožice izbacuju elektrone

Ove bizarne bakterije oslanjaju se na dva proteina, povezanih u strukturu nalik dlaci, zvanoj pilus, izvijestili su istraživači u studiji objavljenoj u časopisu Nature. Te končaste tvorevine nalaze se neposredno ispod bakterijske membrane i guraju disalice iz stanice u okoliš.

Riječ je o geobacteru, anaerobnoj bakterijskoj vrsti koja raste duboko pod zemljom, u tlima potpuno lišenim kisika. Ljudi se oslanjaju na kisik kako bi hranu pretvorili u iskoristivu energiju i upili elektrone preostale od ovog metaboličkog procesa. Kad bi se zaostali elektroni nagomilali, brzo bi postali otrovni za tijelo, objašnjava glavni autor Nikhil Malvankar, docent molekularne biofizike i biokemije na Institutu za mikrobiološke znanosti Sveučilišta Yale.

Disanje na velike udaljenosti

Poput ljudi, i ovi mikrobi tijekom metabolizma stvaraju otpadne elektrone, ali nemaju pristup kisiku kao ljudi. Kako bi se riješile suvišnih elektrona, bakterije se oblažu tankim, provodljivim nitima, nanožicama, koje izbacuju elektrone iz mikroba.

Ove nanožice su 100.000 puta tanje od širine ljudske dlake i mogu prenositi elektrone na velike udaljenosti, stotine do tisuće puta više od duljine tijela izvornog mikroba.

"Ljudi ne mogu udisati kisik udaljen 100 metara. No, ove bakterije koriste nanožice poput disalice pa mogu nastaviti disati na velike udaljenosti", objašnjava Malvankar. To pak stvara električnu struju jer elektroni neprestano teku kroz dugačke nanožice.

Proteinski prekidač

Nanožice su otkrivene još početkom tisućljeća, no Malvankar i njegovi kolege tek su nedavno otkrili od čega su zapravo napravljene te stanične disalice. U studiji, objavljenoj 2019. u časopisu Cell, otkrili su da su nanožice napravljene od citokroma, proteina koji lako prenose elektrone niz svoju duljinu.

U sljedećoj studiji, objavljenoj 2020. u časopisu Nature Chemical Biology, otkriveno je pak da ove nanožice na bazi citokroma dolaze u više "okusa" koji električnu energiju provode s različitim razinama učinkovitosti.

U svojoj najnovijoj studiji istraživači su pomnije proučili strukturu pilusa i otkrili da "pokreću elektrone 20.000 puta sporije od OmcZ-a", proteina citokroma koji tvori najprovodljivije nanožice geobactera. Pokazalo se, objašnjava Malvankar, da oni "jednostavno nisu stvoreni za pomicanje elektrona".

U drugim vrstama bakterija neki pilusi stoje ispod stanične membrane i kreću se poput sićušnih klipova. To im gibanje omogućuje da guraju proteine ​​kroz membranu, prema gore i izvan stanice. Niz eksperimenata pokazao je da i pilusi u geobacteru imaju sličnu ulogu, jer pomažu progurati nanožice kroz membranu.

"Otkrili smo da citokromi ostaju zaglavljeni unutar bakterije kad nema proteina; kad ga vratimo, citokromi mogu izaći iz bakterije", kaže Malvankar. To je zapravo prekidač za uključivanje i isključivanje bakterije. 

Kontrolirana energija

Istraživači kolonije geobactera koriste se za napajanje male elektronike već više od desetljeća, no zasad su ove "bakterijske baterije" mogle proizvesti samo male količine energije.

Malvankar i njegov tim otkrili su da se te kolonije mogu učiniti provodljivijima pod utjecajem električnog polja. To bi pak moglo pomoći u povećanju snage ovih uređaja. Novo istraživanje pruža dodatni stupanj kontrole jer dopušta uključivanje i isključivanje električne energije po želji.

Istraživači sad planiraju istražiti koliko drugih vrsta bakterija koristi nanožice za "disanje" električne energije, a zanima ih i praktična primjena istraživanja.