13.11.2013

Как бактерии проводят электричество

Белковые нити бактерий Geobacter sulfurreducens проводят электроны с помощью остатков ароматических аминокислот, которые охватывают белковый «нанопровод» подобно винтовой лестнице.

Если спросить самого себя, какие ассоциации возникают в голове при словах «живое электричество», то первыми, вероятно, придут на ум нейроны. Или электрические рыбы. Но уж никак не бактерии, верно? А между тем именно с «электрическими бактериями» связаны некоторые удивительнейшие открытия последнего времени.

Так, год назад исследователи из Орхусского университета (Дания) обнаружили, что многоклеточные цепочки морских бактерий из рода Desulfobulbus могут передавать электроны, которые бегут по бактериальным нитям, как по проводам. А ещё за год до этого группа биологов и физиков из Массачусетского университета в Амхерсте (США) установила, что биоплёнки бактерий Geobacter sulfurreducens демонстрируют электронную проводимость, сравнимую с проводимостью синтетических металлических наноструктур. Эксперименты с G. sulfurreducens показали, что в их биоплёнках электроны бегают по белковым филаментам-пилям, растущим на поверхности бактериальной клетки.

Как оказалось, электропроводные свойства пилей обеспечивают не белки цитохромы (которые обычно служат в электронных цепях фотосинтеза и клеточного дыхания), а белки пилины — стандартный строительный материал для бактериальных нитей. С помощью пилей бактерии «ощупывают» среду вокруг, принимают сигналы извне, устанавливают контакты друг с другом; все эти функции учёным более или менее известны. Чего точно никто не знал, так это то, как пили (точнее, белки, из которых они состоят) проводят заряженные частицы.

Свободные электроны образуются в клетке постоянно, в результате клеточного дыхания и получения энергии при окислении питательных веществ. Эти электроны выводятся наружу, где могут поучаствовать, например, в минералообразовании, коррозии и других биогеохимических процессах. Чтобы понять, как бактериальные пили проводят электроны, Карл Мюллер (Karl Mueller) и Патрик Риэрдан (Patrick Reardon) из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (США) присмотрелись к структуре пилина, образующего филаменты у G. sulfurreducens.

Предыдущие исследования показали, что для проведения электрона молекуле пилина нужны остатки ароматических аминокислот, расположенные в строго определённых местах: мутации по этим аминокислотам лишали белок проводящих свойств. Но любой белок обладает трёхмерной структурой, которая сильнейшим образом влияет на его работу. Именно пространственная структура пилина позволила учёным понять, по какому маршруту в нём бегут электроны.

Пилин, как описывают его авторы работы в Journal of Biological Chemistry, представляет собой вытянутую спираль, слегка изогнутую примерно посередине. Остатки ароматических аминокислот, довольно массивные, торчат в стороны по всей длине молекулы. Но структура одиночной молекулы никаких секретов электропроводимости не раскрывала. Исследователям пришлось восстановить структуру фрагмента пили, сложенной из нескольких молекул белка; при этом в качестве шаблона они использовали известную структуру фибриллы возбудителя гонореи Neisseria gonorrhoeae (чьи пили, впрочем, проводить электроны не могут).

В результате перед учёными предстала структура, в которой ароматические остатки шли спиралеобразно по поверхности; авторы сравнивают её с карамельной тростью. То есть электроны должны в этом случае идти по винтовому маршруту, перескакивая от одного островка ароматических аминокислотных остатков к другому. Пока, однако, учёные не могут сказать, приходится ли электронам прыгать на большое расстояние или же аминокислоты просто передают заряд друг другу: для этого нужно поставить дополнительные опыты, причём с самими фибриллами G. sulfurreducens.

Такие бактериальные нанопровода могли бы помочь преодолеть разрыв между твердотельной электроникой и биологическими системами, выступив недорогим и нетоксичным посредником между электронной системой и клеткой.

С другой стороны, электрические бактерии можно было бы использовать при очистке среды от токсичных металлов и прочих неприятных веществ, ускоряя их химические превращения с помощью «электрических бактерий».

Кирилл Стасевич

Источники:

1. compulenta.computerra.ru