Mysterieuze bacteriën die elektrische draden maken

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Voor Lars Peter Nielsen begon het allemaal met de mysterieuze verdwijning van waterstofsulfide. De microbioloog verzamelde de zwarte, stinkende modder van de bodem van de haven van Aarhus in Denemarken, gooide die in grote glazen bekers en plaatste speciale microsensoren die veranderingen in de chemische samenstelling van de modder detecteerden.

Aan het begin van het experiment was de samenstelling verzadigd met waterstofsulfide - de bron van de geur en kleur van het sediment. Maar 30 dagen later werd een strook vuil bleek, wat wijst op het verlies van waterstofsulfide. Uiteindelijk lieten de microsensoren zien dat de hele verbinding weg was. Gezien wat wetenschappers wisten over de biogeochemie van modder, herinnert Nielsen van de Universiteit van Aarhus zich, "was het helemaal niet logisch."

De eerste verklaring, zei hij, was dat de sensoren verkeerd waren. Maar de reden bleek veel vreemder: de bacteriën die de cellen met elkaar verbinden, maken elektrische kabels die tot 5 centimeter stroom door het vuil kunnen geleiden.

Dankzij een aanpassing die nog nooit eerder bij microben is waargenomen, kunnen deze zogenaamde kabelbacteriën een groot probleem overwinnen waarmee veel organismen die in modder leven, worden geconfronteerd: zuurstofgebrek. De afwezigheid ervan weerhoudt bacteriën er gewoonlijk van om verbindingen zoals waterstofsulfide voor voedsel te metaboliseren. Maar kabels, door microben te binden aan zuurstofrijke afzettingen, zorgen ervoor dat ze over lange afstanden kunnen reageren.

Toen Nielsen de ontdekking in 2009 voor het eerst beschreef, waren zijn collega's sceptisch. Philip Meisman, chemisch ingenieur aan de Universiteit Antwerpen, herinnert zich dat hij dacht: "Dit is complete onzin." Ja, de onderzoekers wisten dat bacteriën elektriciteit konden geleiden, maar niet op de afstanden die Nielsen voorstelde. "Het was alsof onze eigen stofwisselingsprocessen een afstand van 18 kilometer zouden kunnen beïnvloeden", zegt microbioloog Andreas Teske van de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill.

Maar hoe meer onderzoekers naar "geëlektrificeerde" modder zochten, hoe meer ze het in zowel zout als zoet water vonden. Ze identificeerden ook een tweede type vuilminnende elektrische microbe: nanodraadbacteriën, individuele cellen die eiwitstructuren laten groeien die elektronen over kortere afstanden kunnen verplaatsen.

Deze nanodraadmicroben komen overal voor, ook in de menselijke mond

Ontdekkingen dwingen onderzoekers om schoolboeken te herschrijven; heroverweeg de rol van modderbacteriën bij de verwerking van sleutelelementen zoals koolstof, stikstof en fosfor; en bekijken hoe ze aquatische ecosystemen en klimaatverandering beïnvloeden.

Wetenschappers zijn ook op zoek naar praktische toepassingen en onderzoeken het potentieel van bacteriën die kabels en nanodraden bevatten om vervuiling te bestrijden en elektronische apparaten van stroom te voorzien. "We zien veel meer interacties binnen microben en tussen microben die elektriciteit gebruiken", zegt Meisman. "Ik noem het de elektrische biosfeer."

De meeste cellen gedijen door elektronen van het ene molecuul te nemen, een proces dat oxidatie wordt genoemd, en ze over te brengen naar een ander molecuul, meestal zuurstof, reductie genaamd. De energie die uit deze reacties wordt gewonnen, regelt andere levensprocessen. In eukaryote cellen, waaronder die van ons, vinden dergelijke "redox"-reacties plaats op het binnenmembraan van mitochondriën, en de afstanden ertussen zijn klein - slechts micrometers. Daarom stonden zoveel onderzoekers sceptisch tegenover Nielsens bewering dat kabelbacteriën elektronen door een laag vuil ter grootte van een golfbal verplaatsen.

Het verdwijnen van waterstofsulfide was de sleutel om dit te bewijzen. De bacteriën maken een verbinding in de modder en breken plantenresten en andere organische materialen af; in diepere afzettingen hoopt waterstofsulfide zich op door gebrek aan zuurstof, wat andere bacteriën helpt om het af te breken. Echter, waterstofsulfide verdween nog steeds in de bekers van Nielsen. Bovendien verscheen er een roestige tint op het oppervlak van het vuil, wat wees op de vorming van ijzeroxide.

Toen hij op een nacht wakker werd, kwam Nielsen met een vreemde verklaring: wat als bacteriën begraven in de modder de redoxreactie zouden voltooien, op de een of andere manier de zuurstofarme lagen omzeilend? Wat als ze in plaats daarvan de overvloedige toevoer van waterstofsulfide als elektronendonor zouden gebruiken en de elektronen vervolgens naar het zuurstofrijke oppervlak zouden leiden? Daar ontstaat bij het oxidatieproces roest als er ijzer aanwezig is.

Het is moeilijk gebleken om te vinden wat deze elektronen draagt. Ten eerste moest Niels Riesgaard-Petersen van het team van Nielsen een eenvoudigere mogelijkheid uitsluiten: metaaldeeltjes in het sediment dragen elektronen naar de oppervlakte en veroorzaken oxidatie. Dit deed hij door een laag glasparels aan te brengen die geen elektriciteit geleiden in een vuilzuil. Ondanks dit obstakel vonden de onderzoekers nog steeds een elektrische stroom door de modder, wat suggereert dat de metaaldeeltjes niet geleidend waren.

Om te zien of een kabel of draad elektronen droeg, gebruikten de onderzoekers wolfraamdraad om een horizontale snede door de modderkolom te maken. De stroom viel uit, alsof er een draad was doorgeknipt. Ander werk verkleinde de grootte van de geleider, wat suggereert dat deze een diameter van ten minste 1 micrometer zou moeten hebben. "Dit is de normale grootte van bacteriën", zegt Nielsen.

Uiteindelijk onthulden elektronenmicrofoto's een waarschijnlijke kandidaat: lange, dunne bacterievezels die verschenen in een laag glasparels die waren ingebracht in bekers gevuld met modder uit de haven van Aarhus. Elk filament bestond uit een stapel cellen - tot 2.000 - ingesloten in een geribbeld buitenmembraan. In de ruimte tussen dit membraan en de op elkaar gestapelde cellen spanden meerdere evenwijdige "draden" de draad over de gehele lengte. Het kabelachtige uiterlijk inspireerde de algemene naam van de microbe.

Meisman, een voormalige scepticus, was snel bekeerd. Kort nadat Nielsen zijn ontdekking had aangekondigd, besloot Meismann een van zijn eigen monsters van zeemodder te onderzoeken. "Ik zag dezelfde kleurveranderingen in het sediment die hij zag", herinnert Meisman zich. "Het was de richting van Moeder Natuur om het serieuzer te nemen."

Zijn team begon instrumenten en methoden voor microbieel onderzoek te ontwikkelen, soms in samenwerking met de groep van Nielsen. Het ging moeilijk. Bacteriële filamenten hebben de neiging om snel te verslechteren na isolatie, en standaardelektroden voor het meten van stromen in kleine geleiders werken niet. Maar toen de onderzoekers eenmaal leerden een enkele streng te kiezen en snel een individuele elektrode te bevestigen, "zagen we een echt hoge geleidbaarheid", zegt Meisman. Stroomvoerende kabels kunnen niet concurreren met koperdraden, zei hij, maar ze komen overeen met de geleiders die worden gebruikt in zonnepanelen en mobiele telefoonschermen, evenals met de beste organische halfgeleiders.

De onderzoekers analyseerden ook de anatomie van de kabelbacteriën. Met behulp van chemische baden isoleerden ze de cilindrische schaal en ontdekten dat deze 17 tot 60 parallelle vezels bevatte die aan elkaar waren gelijmd. De schelp is de bron van geleiding, meldden Meisman en collega's vorig jaar in Nature Communications. De exacte samenstelling is nog onbekend, maar het kan op eiwitten zijn gebaseerd.

"Het is een complex organisme", zegt Nielsen, nu hoofd van het Centrum voor Elektro-Microbiologie, dat in 2017 door de Deense regering werd opgericht. Een van de problemen die het centrum oplost, is de massaproductie van microben in cultuur. “Als we een zuivere cultuur hadden, zou het veel gemakkelijker zijn” om ideeën over celmetabolisme en het effect van de omgeving op geleiding te testen, zegt Andreas Schramm van het centrum. De gekweekte bacteriën zullen het ook gemakkelijker maken om kabeldraden te isoleren en potentiële bioremediatie- en biotechnologische toepassingen te testen.

Terwijl onderzoekers puzzelen over de bacteriën in de kabel, kijken anderen naar een andere grote speler in elektrische modder: op nanodraad gebaseerde bacteriën die, in plaats van cellen in kabels te vouwen, eiwitdraden van 20 tot 50 nm lang van elke cel laten groeien.

Net als bij kabelbacteriën leidde de mysterieuze chemische samenstelling van de afzettingen tot de ontdekking van nanodraadmicroben. In 1987 probeerde microbioloog Derek Lovley, nu aan de Universiteit van Massachusetts Amherst, te begrijpen hoe fosfaat uit afvalwater van kunstmest - een voedingsstof die algenbloei bevordert - vrijkomt uit sediment onder de Potomac-rivier in Washington, DC. werkte en begon ze uit het vuil te wieden. Nadat hij er een had gekweekt, nu Geobacter Metallireducens genoemd, merkte hij (onder een elektronenmicroscoop) op dat de bacteriën bindingen hadden gekregen met nabijgelegen ijzermineralen. Hij vermoedde dat elektronen langs deze draden werden vervoerd en ontdekte uiteindelijk dat Geobacter chemische reacties in de modder orkestreerde, organische verbindingen oxideerde en elektronen naar mineralen overdroeg. Deze gereduceerde mineralen geven vervolgens fosfor en andere elementen af.

Net als Nielsen kreeg Lovely te maken met scepsis toen hij zijn elektrische microbe voor het eerst beschreef. Tegenwoordig hebben hij en anderen echter bijna een dozijn soorten nanodraadmicroben geregistreerd en gevonden in andere omgevingen dan vuil. Velen dragen elektronen van en naar deeltjes in het sediment. Maar sommigen vertrouwen op andere microben om elektronen te ontvangen of op te slaan. Deze biologische samenwerking stelt beide microben in staat om "nieuwe soorten chemie aan te gaan die geen enkel organisme alleen kan", zegt Victoria Orfan, een geobioloog aan het California Institute of Technology. Terwijl kabelbacteriën hun redox-behoeften oplossen door over lange afstanden in zuurstofrijke modder te worden getransporteerd, zijn deze microben afhankelijk van elkaars metabolisme om aan hun redox-behoeften te voldoen.

Sommige onderzoekers debatteren nog steeds over de manier waarop bacteriële nanodraden elektronen geleiden. Lovley en zijn collega's zijn ervan overtuigd dat de sleutelketens van eiwitten, pilins genaamd, bestaan uit circulaire aminozuren. Toen hij en zijn collega's de hoeveelheid geringde aminozuren in de piline verminderden, werden de nanodraden minder geleidend. “Het was echt geweldig”, zegt Lovely, omdat algemeen wordt aangenomen dat eiwitten isolatoren zijn. Maar anderen denken dat deze vraag nog lang niet is opgelost. Orphan zegt bijvoorbeeld dat hoewel "er overweldigend bewijs is… ik nog steeds niet denk dat [de geleiding van de nanodraad] goed wordt begrepen."

Wat wel duidelijk is, is dat elektrische bacteriën overal aanwezig zijn. Zo ontdekten wetenschappers in 2014 kabelbacteriën in drie heel verschillende habitats in de Noordzee: in een getijdenzoutmoeras, in een zeebodembekken waar het zuurstofgehalte in sommige seizoenen tot bijna nul daalt, en in een overstroomde modderige vlakte bij de zee … … oever. (Ze hebben ze niet gevonden in een zandgebied dat wordt bewoond door wormen die sedimenten oprollen en kabels verstoren.) Elders hebben onderzoekers DNA-bewijs gevonden van kabelbacteriën in diepe, zuurstofarme oceaanbekkens, warmwaterbronnen en koude omstandigheden. lekkages, en mangroven en getijdenbanken in zowel gematigde als subtropische streken.

Kabelbacteriën komen ook voor in zoetwateromgevingen. Na het lezen van Nielsens artikelen in 2010 en 2012, heeft een team onder leiding van microbioloog Rainer Meckenstock sedimentkernen opnieuw onderzocht die waren geboord tijdens een grondwaterverontreinigingsonderzoek in Düsseldorf, Duitsland. "We vonden [de kabelbacteriën] precies waar we dachten ze te vinden", herinnert Mekenstock zich, die werkt aan de Universiteit van Duisburg-Essen, op diepten waar de zuurstof op was.

Nanodraadbacteriën zijn zelfs nog wijder verspreid. Onderzoekers hebben ze gevonden in bodems, rijstvelden, diepe darmen en zelfs rioolwaterzuiveringsinstallaties, evenals in zoetwater- en zeesedimenten. Ze kunnen overal voorkomen waar biofilms worden gevormd, en de alomtegenwoordigheid van biofilms is een verder bewijs van de grote rol die deze bacteriën in de natuur kunnen spelen.

De grote verscheidenheid aan elektrische slibbacteriën suggereert ook dat ze een belangrijke rol spelen in ecosystemen. Door bijvoorbeeld de ophoping van waterstofsulfide te voorkomen, maken kabelbacteriën vuil waarschijnlijk bewoonbaarder voor andere levensvormen. Meckenstock, Nielsen en anderen hebben ze gevonden op of nabij de wortels van zeegras en andere waterplanten die zuurstof afgeven, die bacteriën waarschijnlijk gebruiken om waterstofsulfide af te breken. Dit beschermt op zijn beurt de planten tegen het giftige gas. Het partnerschap "lijkt erg kenmerkend voor waterplanten", zei Meckenstock.

Robert Aller, een mariene biogeochemist aan de Stony Brook University, gelooft dat bacteriën ook veel ongewervelde onderwaterdieren kunnen helpen, waaronder wormen die holen bouwen waardoor zuurstofrijk water in de modder kan komen. Hij vond kabelbacteriën aan de zijkanten van de wormbuizen, vermoedelijk zodat ze deze zuurstof konden gebruiken om elektronen op te slaan. Deze wormen worden op hun beurt beschermd tegen het giftige waterstofsulfide. "Bacteriën maken [het hol] leefbaarder", zegt Aller, die de links beschreef in een artikel van juli 2019 in Science Advances.

Microben veranderen ook de eigenschappen van vuil, zegt Saira Malkin, een ecoloog aan het Centre for Environmental Sciences van de University of Maryland. "Ze zijn vooral effectief … ecosysteemingenieurs." Kabelbacteriën "groeien als een lopend vuurtje", zegt ze; Op getijdeoesterriffen, ontdekte ze, kan één kubieke centimeter modder 2.859 meter kabels bevatten die de deeltjes op hun plaats cementeren, waardoor het sediment mogelijk beter bestand is tegen mariene organismen.

De bacteriën veranderen ook de chemie van het vuil, waardoor lagen dichter bij het oppervlak meer alkalisch en diepere lagen zuurder worden, ontdekte Malkin. Dergelijke pH-gradiënten kunnen van invloed zijn op "talloze geochemische cycli", waaronder die geassocieerd met arseen, mangaan en ijzer, zei ze, en creëren kansen voor andere microben.

Omdat enorme delen van de planeet bedekt zijn met modder, zeggen de onderzoekers dat bacteriën die worden geassocieerd met kabels en nanodraden waarschijnlijk een impact hebben op het wereldwijde klimaat. Nanodraadbacteriën kunnen bijvoorbeeld elektronen uit organische materialen zoals dode diatomeeën halen en deze vervolgens doorgeven aan andere bacteriën die methaan produceren, een krachtig broeikasgas. Kabelbacteriën kunnen onder verschillende omstandigheden de methaanproductie verminderen.

In de komende jaren "zullen we wijdverbreide erkenning zien van het belang van deze microben voor de biosfeer", zegt Malkin. Iets meer dan tien jaar nadat Nielsen de mysterieuze verdwijning van waterstofsulfide uit de modder van Aarhus opmerkte, zegt hij: "Het is duizelingwekkend om te bedenken waar we hier mee te maken hebben."

Volgende: een telefoon aangedreven door microbiële draden?

De pioniers van elektrische microben bedachten al snel hoe ze deze bacteriën konden gebruiken."Nu we weten dat evolutie elektrische draden heeft kunnen maken, zou het zonde zijn als we ze niet zouden gebruiken", zegt Lars Peter Nielsen, een microbioloog aan de Universiteit van Aarhus.

Een mogelijke toepassing is de detectie en bestrijding van verontreinigende stoffen. Kabelmicroben lijken te gedijen in de aanwezigheid van organische verbindingen zoals olie, en Nielsen en zijn team testen de mogelijkheid dat de overvloed aan kabelbacteriën de aanwezigheid van onontdekte vervuiling in watervoerende lagen aangeeft. De bacteriën breken de olie niet direct af, maar ze kunnen het sulfide dat door andere olieachtige bacteriën wordt geproduceerd, oxideren. Ze kunnen ook helpen bij het opruimen; regenval herstelt sneller van verontreiniging met ruwe olie wanneer het wordt gekoloniseerd door kabelbacteriën, meldde een andere onderzoeksgroep in januari in het tijdschrift Water Research. In Spanje onderzoekt een derde team of nanodraadbacteriën het opruimen van vervuilde wetlands kunnen versnellen. En zelfs voordat op nanodraad gebaseerde bacteriën elektrisch waren, toonden ze de belofte van decontaminatie van nucleair afval en watervoerende lagen die verontreinigd zijn met aromatische koolwaterstoffen zoals benzeen of naftaleen.

Ook elektrische bacteriën kunnen aanleiding geven tot nieuwe technologieën. Ze kunnen genetisch worden gemodificeerd om hun nanodraden te veranderen, die vervolgens kunnen worden afgesneden om de ruggengraat te vormen van gevoelige draagbare sensoren, volgens Derek Lovley, een microbioloog aan de Universiteit van Massachusetts (UMass), Amherst. "We kunnen nanodraden ontwerpen en aanpassen om specifiek verbindingen van belang te binden." In het Lovely-nummer van Nano Research van 11 mei beschreef UMass-ingenieur Jun Yao en hun collega's bijvoorbeeld een op nanodraad gebaseerde sensor die ammoniak detecteert in concentraties die nodig zijn voor landbouw-, industriële, milieu- en biomedische toepassingen.

Gemaakt als een film, kunnen nanodraden elektriciteit opwekken uit vocht in de lucht. Onderzoekers geloven dat de film energie opwekt wanneer er een vochtgradiënt optreedt tussen de boven- en onderrand van de film. (De bovenrand is gevoeliger voor vocht.) Omdat de waterstof- en zuurstofatomen van het water door de gradiënt van elkaar scheiden, wordt lading gegenereerd en stromen elektronen. Yao en zijn team meldden op 17 februari in Nature dat zo'n film genoeg energie zou kunnen creëren om een light-emitting diode te verlichten, en 17 van dergelijke apparaten die met elkaar verbonden zijn, zouden een mobiele telefoon van stroom kunnen voorzien. De aanpak is "een revolutionaire technologie voor het opwekken van hernieuwbare, schone en goedkope energie", zegt Qu Lianti, materiaalwetenschapper aan de Tsinghua University. (Anderen zijn voorzichtiger en merken op dat eerdere pogingen om energie uit vocht te persen met grafeen of polymeren niet succesvol zijn geweest.)

Uiteindelijk hopen de onderzoekers de elektrische capaciteiten van bacteriën te benutten zonder te maken te krijgen met kieskeurige microben. Catch haalde bijvoorbeeld de gangbare laboratorium- en industriële bacterie Escherichia coli over om nanodraden te maken. Dit moet het voor onderzoekers gemakkelijker maken om de structuren in massa te produceren en hun praktische toepassingen te bestuderen.