Металлическая проводимость биологических структур

[29 октября, 2011 г.]

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Ученые из Университета Массачусетса показали, что длинные белковые выросты некоторых бактерий — пили — обладают проводимостью металлического типа. Они проводят электрический ток не менее эффективно, чем дорогостоящие металлические наноструктуры, которые обычно используются в современных технологиях. Это открытие может ознаменовать начало революции в биоэлектронике. Людям нужно только научиться использовать нанопровода, которые так успешно производятся и используются бактериями уже долгое-долгое время.

• версия для печати
• обсуждение (3)

Сеть нанопроводов, синтезированных бактериями Geobacter.

То, что некоторые бактерии обладают длинными выростами — так называемыми пилями, которые способны проводить электроны, — известно уже несколько лет. Пили состоят из аминокислот, упакованных в филамент шириной 3–5 нм и длиной, превышающей размер самих бактерий в десятки раз. С их помощью отдельные микроорганизмы объединяются в биопленки с сетчатой структурой.

Открытие проводящих пилей произвело фурор в научной среде, ведь до того ученые считали, что биологические материалы очень плохо проводят электрический ток. То, что бактерии могут передавать электроны на огромные расстояния в десятки микрометров (да, огромные! — в мире все относительно), изменило представления о функционировании микробных сообществ почвы и донных осадков водоемов и... зажгло огонь в сердцах людей, занимающихся наноэлектроникой. Еще бы! дешевые быстрорастущие провода наноразмера — об этом можно только мечтать! Одна беда: эксперименты с пилями раз за разом давали противоречивые результаты, а свойства и величина их проводимости, так же как механизм, лежащий в ее основе, были абсолютно непонятны.

Изучение нанопроводов in situ

Проблема первых экспериментов заключалась, главным образом, в том, что условия, в которых они проводились, были далеки от природных. Поэтому Дерек Лавли (Derek Lovley) и его коллеги решили протестировать проводимость бактериальных нанопроводов in situ, т.е. прямо в биопленке. Их эксперименты были просты и изящны, как все гениальное. Ученые взяли анаэробных бактерий Geobacter sulfurreducens, знаменитых своими пилями и широко распространенных в природе, и стали выращивать их в стандартной камере для получения «бактериального» электричества. Такие камеры имеют анод и катод, изолированные друг от друга проницаемой для протонов (ионов водорода) мембраной. Они заполняются специальным буфером, содержащим субстрат для роста бактерий, например, ацетат (рис. 1).

Рисунок 1. Схема камеры, использованной в экспериментах. Две золотые пластины с целью между ними представляют собой анод. Анод отделен от катода проницаемой для протонов мембраной (PEM). Слева расположена контрольная камера, анод которой не соединен с катодом. На нижнем рисунке показана биопленка, растущая на золотых пластинах анода и заполняющая непроводящее пространство между ними.

Ацетат для большинства бактерий — то же самое, что еда для людей: он является источником углерода, необходимым для построения биомассы, а также источником электронов, которые участвуют в выработке энергии в процессе их переноса по ферментам дыхательной цепи. В последнем звене цепи электроны должны быть переданы на конечный акцептор, в качестве которого у людей выступает кислород, а у бактерий Geobacter в природе — оксиды железа. В эксперименте же в качестве конечного акцептора электронов выступал анод камеры, от которого электроны бежали дальше — на катод, создавая электрический ток. При этом ацетат окислялся до углекислого газа и протонов (Н⁺), которые поступали в камеру с катодом через проницаемую для них мембрану. Там они соединялись с прибежавшими электронами и образовывали газообразный водород.

Эксперимент длился больше месяца. По мере того, как бактерии обрастали золотые пластины анода и заполняли непроводящую щель между ними, ток между катодом и анодом увеличивался. Этого-то и ждали исследователи. Увеличение тока означало, что просвет между пластинами анода, заполненный биопленкой, приобрел проводимость! При этом проводимость росла по мере увеличения толщины биопленки и была сопоставима с проводимостью аналогичных синтетических наноструктур.

Ученые решили доказать, что появляющаяся проводимость является свойством пилей, а не биомассы в целом. Для этого они выяснили величину экспрессии структурного белка пилей PilA в нескольких штаммах бактерий, с которыми проводились эксперименты. Оказалось, что чем больше экспрессия белка в клетках штамма, тем лучше его биопленка проводит ток (рис. 2).

Рисунок 2. Связь между проводимостью биопленки и пилями бактерий. Красные столбики показывают проводимость (шкала слева), фиолетовые — экспрессию структурного белка пилей PilA (шкала справа). Экспрессия белка pilA выражена в процентах от его экспрессии в штамме DL-1. KN400, BEST, DL-1 — различные штаммы Geobacter.

Кроме того, исследователи отделили пили от клеток и измерили их собственную проводимость, которая оказалось очень близкой по значению к проводимости биопленки в целом. Иными словами, это стало еще одним косвенным доказательством того, что проводимость биопленки обеспечивается именно пилями.

Не просто провода, а провода, которые можно настраивать!

Дальнейшие эксперименты открыли самое интересное: выяснилось, что проводимость пилей зависит от температуры и pH среды совсем так же, как зависит от этих факторов проводимость металлов. Понижение температуры и кислая среда усиливали проводимость, а ведь это свойство металлических проводников уже давно используется в электронике. Эксперименты Дерека Лавли и его команды впервые показали, что бактериальными нанопроводами можно управлять.

Вот только структура этих проводов, а, следовательно, и механизм проведения тока, по-прежнему остаются темным лесом. Конечно, у ученых есть догадки по этому поводу, но пока это всего лишь красивые гипотезы. Хотя, красивая гипотеза для науки — очень важная штука: от нее до ее экспериментального подтверждения бывает не так уж далеко.

И что же нам делать с нанопроводами?

Бактериальные нанопровода открывают новые горизонты в биоэлектронике. Возможно, люди создадут дешевые быстрорастущие наноматериалы с уникальными свойствами на основе синтезируемых бактериями пилей и научатся растить подобные им структуры, подсмотрев у природы еще одно инженерное чудо. В свою очередь, это повлечет за собой создание сложных микрочипов и сенсоров, наномоторов, нанобиотранзисторов и прочих нано...

А как вам возможность встраивания электронных устройств в живой организм и расширение его мыслительных способностей? Вы хотите научиться считать лучше и быстрее, чем ваш калькулятор? Хотите увеличить объем памяти, в конце концов? не через 100–200 лет, а уже совсем скоро? Может быть, вам это покажется всего лишь фантазией, но давайте доживем до завтра. Ведь история науки уже неоднократно видела превращения чудес в самую настоящую реальность.

Литература

Malvankar N.S., Vargas M., Nevin K.P., Franks A.E., Leang C., Kim B.-C., Inoue K., Mester T., Covalla S. F., Johnson J.P., Rotello V.M., Tuominen M.T., Lovley D.R. (2011). Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks. Nature Nanotechnology 6, 573–579.

© 2007–2012 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k12.

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.