Кабельные бактерии впервые обнаружила в 2009 году группа Ларса Петера Нильсена из Орхусского университета в иле датской гавани. С тех пор их нашли в донных осадках озер, рек и морей по всему миру. Питаются они сероводородом, который выделяется при гниении органики. Бактерии отбирают у него электроны и в итоге передают их кислороду, а разницу энергий забирают себе.
Бактерии «выращивают» провода из никеля и органики и питаются электрическим током
В донных отложениях по всему миру живут кабельные бактерии, которые тянут сквозь ил электрические провода длиной в несколько сантиметров и живут за счет электрического тока. Исследователи из Антверпенского университета выяснили, как эти провода устроены: внутри них сплетены наноленты из никеля и серосодержащей органики. Это первый известный металлорганический каркас, созданный живым организмом.
Ученые выяснили, как кабельные бактерии бактерии создают электропроводящие коаксиальные кабели, чтобы питаться в иле. Wikimedia Commons
Кабельные бактерии не единственные природные «электрики». Бактерия Geobacter sulfurreducens выращивает белковые нанопровода, чтобы передавать электроны минералам железа. Ее изучает Дерек Ловли из Массачусетского университета в Амхерсте. В 2020 году его группа показала, что тонкая пленка из таких нанопроводов вырабатывает электричество прямо из влаги воздуха. Это бактериальное устройство давало около 0,5 вольта непрерывно на протяжении многих часов.
Микроскопическая визуализация и nXRF-картирование периплазматических волокон у кабельных бактерий.
Сложность в том, что сероводорода много в глубине, а кислород есть только в тонком верхнем слое ила. Бактерии решили эту задачу. При делении клетки выстраиваются в нить с общей внешней мембраной и образуют единый сверхорганизм, своего рода электрическую дыхательную трубку. Нижние клетки окисляют сероводород, верхние отдают электроны кислороду, а ток бежит по нити. Найдены провода длиной до 5 сантиметров, в которых работают до 25 тысяч клеток. В квадратном метре осадка может скрываться около 20 тысяч километров таких нитей, и бактерии заметно меняют химию ила. Работа размещена на сайте препринтов biorxiv.org.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Никелевая косичка
Поляризационная микроскопия кабельных бактерий.
Больше десяти лет оставалось неясным, из чего сделаны сами провода. Команда Филипа Мейсмана рассмотрела нити в электронный микроскоп. По периметру каждой нити тянутся десятки гребней, и в каждом лежит проводящее волокно толщиной около 50 нанометров. Внутри волокна переплетены от 10 до 20 нанолент шириной всего около 1,35 нанометра.
Рентгеновская спектроскопия и компьютерное моделирование показали, что бактерии извлекают из воды и осадка следовые количества никеля. Его атомы они связывают с серосодержащими органическими молекулами в плоские пластинки. Пластинки укладываются стопкой в несколько слоев и образуют наноленты, а наноленты сплетаются в жгуты, как медные жилы в бытовом кабеле.
Авторы считают, что получилась первая известная металлорганическая каркасная структура биологического происхождения. По их оценке, отдельная нанолента проводит ток примерно в сто раз лучше синтетических никелевых аналогов. Работа пока вышла препринтом и не прошла рецензирования, но Нильсен называет результат очень впечатляющим. Такая конструкция может подсказать, как выращивать гибкую биосовместимую электронику, почти не расходуя металлы и энергию.
Загружаем