Βρέθηκε η νέα ζωή που ζει από την ηλεκτρική ενέργεια

Πέρυσι, ο βιοφυσικός Moh El-Naggar και ο μεταπτυχιακός φοιτητής του Yamini Jangir βυθίστηκαν κάτω από τους Black Hills της Νότιας Ντακότα σε ένα παλιό ορυχείο χρυσού που είναι πλέον πιο διάσημο ως το σπίτι ενός ανιχνευτή σκοτεινής ύλης. Σε αντίθεση με τους περισσότερους επιστήμονες που κάνουν προσκυνήματα στους Μαύρους Λόφους αυτές τις μέρες, ο El-Naggar και ο Jangir δεν ήταν εκεί για να κυνηγήσουν υποατομικά σωματίδια. Ήρθαν σε αναζήτηση ζωής.

Στο σκοτάδι που βρέθηκε ένα μίλι κάτω από τη γη, το ζευγάρι διέσχισε το δίκτυο διόδων του ορυχείου αναζητώντας έναν σκουριασμένο μεταλλικό σωλήνα. Πήραν λίγο από το αρχαίο νερό του σωλήνα, το κατεύθυναν σε ένα δοχείο και έβαλαν μια ποικιλία ηλεκτροδίων. Ήλπιζαν ότι το ρεύμα θα προσέλκυε τη λεία τους, ένα μικρόβιο ελάχιστα μελετημένο που μπορεί να ζήσει από καθαρό ηλεκτρισμό.

Τα μικρόβια που τρώνε ηλεκτρισμό που κυνηγούσαν οι ερευνητές ανήκουν σε μια μεγαλύτερη κατηγορία οργανισμών που οι επιστήμονες μόλις αρχίζουν να καταλαβαίνουν. Κατοικούν σε μεγάλο βαθμό αχαρτογράφητους κόσμους:τα καζάνια των αεραγωγών βαθιάς θάλασσας. φλέβες πλούσιες σε μέταλλα βαθιά κάτω από την επιφάνεια του πλανήτη. ιζήματα του ωκεανού λίγα μόλις εκατοστά κάτω από το βαθύ βυθό της θάλασσας. Τα μικρόβια αντιπροσωπεύουν ένα τμήμα της ζωής που έχει σε μεγάλο βαθμό αγνοηθεί, εν μέρει επειδή τα παράξενα ενδιαιτήματά τους τα καθιστούν απίστευτα δύσκολο να αναπτυχθούν στο εργαστήριο.

Ωστόσο, οι πρώιμες έρευνες υποδηλώνουν μια πιθανή μικροβιακή γενναιοδωρία. Μια πρόσφατη δειγματοληψία μικροβίων που συλλέχθηκαν από τον πυθμένα της θάλασσας κοντά στο νησί Catalina, στα ανοικτά των ακτών της Νότιας Καλιφόρνια, αποκάλυψε μια εκπληκτική ποικιλία μικροβίων που καταναλώνουν ή αποβάλλουν ηλεκτρόνια τρώγοντας ή αναπνέοντας μέταλλα ή μέταλλα. Η ομάδα του El-Naggar εξακολουθεί να αναλύει τα δεδομένα του χρυσωρυχείου τους, αλλά λέει ότι τα αρχικά τους αποτελέσματα απηχούν τα ευρήματα της Catalina. Μέχρι στιγμής, κάθε φορά που οι επιστήμονες αναζητούν αυτούς τους τροφοδότες ηλεκτρονίων στις σωστές τοποθεσίες - μέρη που έχουν πολλά ορυκτά αλλά όχι πολύ οξυγόνο - τα βρίσκουν.

Καθώς ο αριθμός των ηλεκτρονιοφάγων αυξάνεται, οι επιστήμονες αρχίζουν να καταλαβαίνουν πώς ακριβώς λειτουργούν. Πώς ένα μικρόβιο καταναλώνει ηλεκτρόνια από ένα κομμάτι μετάλλου ή τα αποθέτει πίσω στο περιβάλλον όταν τελειώσει με αυτά; Μια μελέτη που δημοσιεύθηκε πέρυσι αποκάλυψε τον τρόπο με τον οποίο ένα από αυτά τα μικρόβια πιάνει και καταναλώνει την ηλεκτρική του λεία. Και μια εργασία που δεν έχει ακόμη δημοσιευτεί υποδηλώνει ότι ορισμένοι τρώγοι μετάλλων μεταφέρουν ηλεκτρόνια απευθείας στις μεμβράνες τους — κάτι που κάποτε θεωρούνταν αδύνατο.

The Rock Eaters

Αν και η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας φαίνεται παράξενη, η ροή του ρεύματος είναι κεντρική στη ζωή. Όλοι οι οργανισμοί χρειάζονται μια πηγή ηλεκτρονίων για την παραγωγή και αποθήκευση ενέργειας. Πρέπει επίσης να μπορούν να απορρίπτουν ηλεκτρόνια μόλις ολοκληρωθεί η δουλειά τους. Περιγράφοντας αυτή την ξεκάθαρη άποψη της ζωής, ο βραβευμένος με Νόμπελ φυσιολόγος Albert Szent-Györgyi είπε κάποτε:«Η ζωή δεν είναι παρά ένα ηλεκτρόνιο που ψάχνει ένα μέρος για να ξεκουραστεί».

Οι άνθρωποι και πολλοί άλλοι οργανισμοί παίρνουν ηλεκτρόνια από τα τρόφιμα και τα διώχνουν με την αναπνοή μας. Τα μικρόβια που ο El-Naggar και άλλοι προσπαθούν να αναπτύξουν ανήκουν σε μια ομάδα που λέγεται λιθοαυτοτρόφοι, ή πετροφάγοι, που συλλέγουν ενέργεια από ανόργανες ουσίες όπως ο σίδηρος, το θείο ή το μαγγάνιο. Υπό τις κατάλληλες συνθήκες, μπορούν να επιβιώσουν μόνο με ηλεκτρική ενέργεια.

Η φαινομενική ικανότητα των μικροβίων να καταπίνουν ηλεκτρόνια - γνωστή ως άμεση μεταφορά ηλεκτρονίων - είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα επειδή φαίνεται να αψηφά τους βασικούς κανόνες της βιοφυσικής. Οι λιπαρές μεμβράνες που περικλείουν τα κύτταρα λειτουργούν ως μονωτές, δημιουργώντας μια ηλεκτρικά ουδέτερη ζώνη που κάποτε θεωρούνταν αδύνατη η διέλευση ενός ηλεκτρονίου. «Κανείς δεν ήθελε να πιστέψει ότι ένα βακτήριο θα έπαιρνε ένα ηλεκτρόνιο από το εσωτερικό του κυττάρου και θα το μετακινούσε προς τα έξω», είπε ο Kenneth Nealson, γεωβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια, σε μια διάλεξη στην Εταιρεία Εφαρμοσμένης Μικροβιολογίας στο Λονδίνο. πέρυσι.

Στη δεκαετία του 1980, ο Nealson και άλλοι ανακάλυψαν μια εκπληκτική ομάδα βακτηρίων που μπορούν να διώξουν ηλεκτρόνια απευθείας σε στερεά ορυκτά. Χρειάστηκε μέχρι το 2006 για να ανακαλυφθεί ο μοριακός μηχανισμός πίσω από αυτό το κατόρθωμα:Μια τριάδα εξειδικευμένων πρωτεϊνών κάθεται στην κυτταρική μεμβράνη, σχηματίζοντας μια αγώγιμη γέφυρα που μεταφέρει ηλεκτρόνια στο εξωτερικό του κυττάρου. (Οι επιστήμονες εξακολουθούν να συζητούν αν τα ηλεκτρόνια διασχίζουν ολόκληρη την απόσταση της μεμβράνης χωρίς συνοδεία.)

Εμπνευσμένοι από τους δότες ηλεκτρονίων, οι επιστήμονες άρχισαν να αναρωτιούνται εάν τα μικρόβια θα μπορούσαν επίσης να κάνουν το αντίστροφο και να προσλάβουν απευθείας ηλεκτρόνια ως πηγή ενέργειας. Οι ερευνητές εστίασαν την έρευνά τους σε μια ομάδα μικροβίων που ονομάζονται μεθανογόνα, τα οποία είναι γνωστά για την παραγωγή μεθανίου. Τα περισσότερα μεθανογόνα δεν τρώνε αυστηρά μέταλλα. Αλλά το 2009, ο Bruce Logan, περιβαλλοντικός μηχανικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, και οι συνεργάτες του έδειξαν για πρώτη φορά ότι ένα μεθανογόνο μπορούσε να επιβιώσει χρησιμοποιώντας μόνο ενέργεια από ένα ηλεκτρόδιο. Οι ερευνητές πρότειναν ότι τα μικρόβια ρουφούσαν απευθείας ηλεκτρόνια, ίσως μέσω μιας μοριακής γέφυρας παρόμοιας με αυτές που χρησιμοποιούν οι παραγωγοί ηλεκτρονίων για να μεταφέρουν ηλεκτρόνια στο κυτταρικό τοίχωμα. Αλλά τους έλειπε η άμεση απόδειξη.

Στη συνέχεια, πέρυσι, ο Alfred Spormann, ένας μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, και οι συνεργάτες του άνοιξαν μια τρύπα στη θεωρία του Logan. Αποκάλυψαν έναν τρόπο με τον οποίο αυτοί οι οργανισμοί μπορούν να επιβιώσουν σε ηλεκτρόδια χωρίς να τρώνε γυμνά ηλεκτρόνια.

Το μικρόβιο που μελέτησε ο Spormann, Methanococcus maripaludis , εκκρίνει ένα ένζυμο που βρίσκεται στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Το ένζυμο ζευγαρώνει ένα ηλεκτρόνιο από το ηλεκτρόδιο με ένα πρωτόνιο από το νερό για να δημιουργήσει ένα άτομο υδρογόνου, το οποίο είναι μια καλά εδραιωμένη πηγή τροφής μεταξύ των μεθανογόνων. «Αντί να έχουν μια αγώγιμη οδό, χρησιμοποιούν ένα ένζυμο», είπε ο Ντάνιελ Μποντ, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα των Δίδυμων Πόλεων. "Δεν χρειάζεται να χτίσουν μια γέφυρα από αγώγιμα υλικά."

Αν και τα μικρόβια δεν τρώνε γυμνά ηλεκτρόνια, τα αποτελέσματα είναι από μόνα τους εκπληκτικά. Τα περισσότερα ένζυμα λειτουργούν καλύτερα μέσα στο κύτταρο και αποικοδομούνται γρήγορα έξω. «Αυτό που είναι μοναδικό είναι πόσο σταθερά είναι τα ένζυμα όταν [συγκεντρώνονται] στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου», είπε ο Spormann. Προηγούμενα πειράματα υποδηλώνουν ότι αυτά τα ένζυμα είναι ενεργά έξω από το κύτταρο για λίγες μόνο ώρες, "αλλά δείξαμε ότι είναι ενεργά για έξι εβδομάδες."

Ωστόσο, ο Spormann και άλλοι εξακολουθούν να πιστεύουν ότι τα μεθανογόνα και άλλα μικρόβια μπορούν να απορροφήσουν απευθείας ηλεκτρική ενέργεια. "Αυτός είναι ένας εναλλακτικός μηχανισμός στην άμεση μεταφορά ηλεκτρονίων, δεν σημαίνει ότι δεν μπορεί να υπάρξει άμεση μεταφορά ηλεκτρονίων", δήλωσε ο Largus Angenent, περιβαλλοντικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο Cornell και πρόεδρος της International Society for Microbial Electrochemistry and Technology. Ο Spormann είπε ότι η ομάδα του έχει ήδη βρει ένα μικρόβιο ικανό να λαμβάνει γυμνά ηλεκτρόνια. Αλλά δεν έχουν ακόμη δημοσιεύσει τις λεπτομέρειες.

Μικρόβια στον Άρη

Μόνο ένα μικρό κλάσμα - ίσως το 2 τοις εκατό - όλων των μικροοργανισμών του πλανήτη μπορεί να αναπτυχθεί στο εργαστήριο. Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι αυτές οι νέες προσεγγίσεις —η ανάπτυξη μικροβίων σε ηλεκτρόδια και όχι σε παραδοσιακά συστήματα καλλιέργειας— θα προσφέρουν έναν τρόπο μελέτης πολλών από τα μικρόβια που μέχρι στιγμής ήταν αδύνατο να καλλιεργηθούν.

«Η χρήση ηλεκτροδίων ως υποδοχέων για ορυκτά μας βοήθησε να ανοίξουμε και να επεκτείνουμε αυτό το πεδίο», δήλωσε η Annette Rowe, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο USC που συνεργάζεται με τον El-Naggar. "Τώρα έχουμε έναν τρόπο να αναπτύξουμε τα βακτήρια και να παρακολουθούμε την αναπνοή τους και πραγματικά να ρίξουμε μια ματιά στη φυσιολογία τους."

Ο Rowe είχε ήδη κάποια επιτυχία.

Το 2013, πήγε σε ένα ταξίδι αναζήτησης μικροβίων στα πλούσια σε σίδηρο ιζήματα που περιβάλλουν το νησί Catalina της Καλιφόρνια. Αναγνώρισε τουλάχιστον 30 νέες ποικιλίες ηλεκτρικών μικροβίων σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε πέρυσι. «Προέρχονται από πολύ διαφορετικές ομάδες μικροβίων που είναι αρκετά κοινά στα θαλάσσια συστήματα», είπε ο Rowe. Πριν από το πείραμά της, κανείς δεν ήξερε ότι αυτά τα μικρόβια μπορούσαν να πάρουν ηλεκτρόνια από ένα ανόργανο υπόστρωμα, είπε. "Αυτό είναι κάτι που δεν περιμέναμε."

Ακριβώς όπως οι ψαράδες χρησιμοποιούν διαφορετικά θέλγητρα για να προσελκύσουν διαφορετικά ψάρια, ο Rowe έθεσε τα ηλεκτρόδια σε διαφορετικές τάσεις για να αντλήσει μια πλούσια ποικιλία μικροβίων. Ήξερε πότε είχε μια σύλληψη επειδή άλλαζε το ρεύμα — οι μεταλλοφάγοι παράγουν αρνητικό ρεύμα, καθώς τα μικρόβια απορροφούν ηλεκτρόνια από το αρνητικό ηλεκτρόδιο.

Οι διαφορετικές ποικιλίες βακτηρίων που συνέλεξε ο Rowe ευδοκιμούν κάτω από διαφορετικές ηλεκτρικές συνθήκες, υποδηλώνοντας ότι χρησιμοποιούν διαφορετικές στρατηγικές για την κατανάλωση ηλεκτρονίων. «Κάθε βακτήριο είχε διαφορετικό ενεργειακό επίπεδο όπου θα γινόταν η πρόσληψη ηλεκτρονίων», είπε ο Rowe. "Πιστεύουμε ότι αυτό είναι ενδεικτικό διαφορετικών οδών."

Ο Rowe τώρα αναζητά νέα περιβάλλοντα για επιπλέον μικρόβια, εστιάζοντας στα υγρά από μια βαθιά πηγή με χαμηλή οξύτητα. Βοηθά επίσης στην αποστολή του El-Naggar στο χρυσωρυχείο. «Προσπαθούμε να καταλάβουμε πώς λειτουργεί η ζωή κάτω από αυτές τις συνθήκες», είπε ο El-Naggar. «Γνωρίζουμε τώρα ότι η ζωή πηγαίνει πολύ πιο βαθιά από ό,τι πιστεύαμε, και υπάρχουν πολλά περισσότερα από όσα νομίζαμε, αλλά δεν έχουμε καλή ιδέα για το πώς επιβιώνουν».

Ο El-Naggar υπογραμμίζει ότι το πεδίο είναι ακόμα στα σπάργανα, παρομοιάζοντας την τρέχουσα κατάσταση με τις πρώτες μέρες της νευροεπιστήμης, όταν οι ερευνητές έσπευσαν στους βατράχους με ηλεκτρόδια για να κάνουν τους μύες τους να συσπαστούν. «Χρειάστηκε πολύς χρόνος για να βγουν τα βασικά μηχανιστικά πράγματα», είπε. "Έχουν περάσει μόνο 30 χρόνια από τότε που ανακαλύψαμε ότι τα μικρόβια μπορούν να αλληλεπιδράσουν με στερεές επιφάνειες."

Δεδομένης της γενναιοδωρίας από αυτά τα πρώιμα πειράματα, φαίνεται ότι οι επιστήμονες έχουν γρατσουνίσει μόνο την επιφάνεια της μικροβιακής ποικιλότητας που ευδοκιμεί κάτω από το ρηχό εξωτερικό του πλανήτη. Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να δώσουν ενδείξεις για την προέλευση της ζωής στη Γη και πέρα ​​από αυτήν. Μια θεωρία για την εμφάνιση της ζωής υποδηλώνει ότι προήλθε από ορυκτές επιφάνειες, οι οποίες θα μπορούσαν να έχουν συγκεντρωμένα βιολογικά μόρια και να καταλύουν αντιδράσεις. Νέα έρευνα θα μπορούσε να καλύψει ένα από τα κενά της θεωρίας - έναν μηχανισμό για τη μεταφορά ηλεκτρονίων από ορυκτές επιφάνειες στα κύτταρα.

Επιπλέον, οι τρώγοι μετάλλων κάτω από την επιφάνεια μπορεί να παρέχουν ένα σχέδιο για τη ζωή σε άλλους κόσμους, όπου τα εξωγήινα μικρόβια μπορεί να κρύβονται κάτω από το ρηχό εξωτερικό του πλανήτη. «Για μένα, μία από τις πιο συναρπαστικές πιθανότητες είναι να βρω μορφές ζωής που θα μπορούσαν να επιβιώσουν σε ακραία περιβάλλοντα όπως ο Άρης», είπε ο El-Naggar, του οποίου το πείραμα χρυσωρυχείου χρηματοδοτείται από το Αστροβιολογικό Ινστιτούτο της NASA. Ο Άρης, για παράδειγμα, είναι πλούσιος σε σίδηρο και έχει νερό που ρέει κάτω από την επιφάνειά του. «Αν έχετε ένα σύστημα που μπορεί να συλλέξει ηλεκτρόνια από τον σίδηρο και να έχει λίγο νερό, τότε έχετε όλα τα συστατικά για έναν πιθανό μεταβολισμό», είπε ο El-Naggar. Ίσως ένα πρώην ορυχείο ένα μίλι κάτω από τη Νότια Ντακότα να μην είναι το πιο εκπληκτικό μέρος όπου οι ερευνητές βρίσκουν ζωή που τρώει ηλεκτρόνια.