Batteri misteriosi che creano cavi elettrici

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

Per Lars Peter Nielsen, tutto è iniziato con la misteriosa scomparsa dell'idrogeno solforato. Il microbiologo ha raccolto il fango nero e maleodorante dal fondo del porto di Aarhus in Danimarca, lo ha gettato in grandi bicchieri di vetro e ha inserito speciali microsensori che hanno rilevato cambiamenti nella composizione chimica del fango.

All'inizio dell'esperimento, la composizione era satura di idrogeno solforato, la fonte dell'odore e del colore del sedimento. Ma 30 giorni dopo, una striscia di sporco è diventata pallida, il che indica la perdita di idrogeno solforato. Alla fine, i microsensori hanno mostrato che l'intera connessione era sparita. Dato ciò che gli scienziati sapevano sulla biogeochimica del fango, ricorda Nielsen dell'Università di Aarhus, "non aveva alcun senso".

La prima spiegazione, disse, era che i sensori erano sbagliati. Ma il motivo si è rivelato molto più strano: i batteri che collegano le cellule creano cavi elettrici in grado di condurre corrente fino a 5 centimetri attraverso lo sporco.

Un adattamento mai visto prima nei microbi consente a questi cosiddetti batteri del cavo di superare un grave problema affrontato da molti organismi che vivono nel fango: la mancanza di ossigeno. La sua assenza di solito impedisce ai batteri di metabolizzare composti come l'idrogeno solforato per il cibo. Ma i cavi, legando i microbi a depositi ricchi di ossigeno, consentono loro di reagire su lunghe distanze.

Quando Nielsen descrisse per la prima volta la scoperta nel 2009, i suoi colleghi erano scettici. Philip Meisman, un ingegnere chimico dell'Università di Anversa, ricorda di aver pensato: "Questa è una totale assurdità". Sì, i ricercatori sapevano che i batteri potevano condurre l'elettricità, ma non alle distanze suggerite da Nielsen. "Era come se i nostri processi metabolici potessero influenzare una distanza di 18 chilometri", afferma il microbiologo Andreas Teske dell'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill.

Ma più i ricercatori cercavano fango "elettrificato", più lo trovavano sia in acqua dolce che salata. Hanno anche identificato un secondo tipo di microbo elettrico che ama lo sporco: batteri nanofili, cellule individuali che sviluppano strutture proteiche in grado di spostare gli elettroni su distanze più brevi.

Questi microbi nanofili si trovano ovunque, anche nella bocca umana

Le scoperte costringono i ricercatori a riscrivere i libri di testo; ripensare il ruolo dei fanghi batterici nella lavorazione di elementi chiave come carbonio, azoto e fosforo; e rivedere come influenzano gli ecosistemi acquatici e il cambiamento climatico.

Gli scienziati sono anche alla ricerca di applicazioni pratiche, esplorando il potenziale dei batteri contenenti cavi e nanofili per combattere l'inquinamento e alimentare i dispositivi elettronici. "Stiamo assistendo a molte più interazioni all'interno dei microbi e tra i microbi che utilizzano l'elettricità", afferma Meisman. "Io la chiamo la biosfera elettrica."

La maggior parte delle cellule prospera prendendo elettroni da una molecola, un processo chiamato ossidazione, e trasferendoli a un'altra molecola, solitamente ossigeno, chiamata riduzione. L'energia ottenuta da queste reazioni governa altri processi vitali. Nelle cellule eucariotiche, compresa la nostra, tali reazioni "redox" si verificano sulla membrana interna dei mitocondri e le distanze tra loro sono minuscole, solo micrometri. Questo è il motivo per cui così tanti ricercatori erano scettici sull'affermazione di Nielsen secondo cui i batteri dei cavi spostano gli elettroni attraverso uno strato di sporco delle dimensioni di una pallina da golf.

La scomparsa dell'idrogeno solforato è stata la chiave per dimostrarlo. I batteri formano un composto nel fango, abbattendo detriti vegetali e altri materiali organici; nei depositi più profondi, l'idrogeno solforato si accumula a causa della mancanza di ossigeno, che aiuta altri batteri a scomponerlo. Tuttavia, l'idrogeno solforato è ancora scomparso nei bicchieri di Nielsen. Inoltre, sulla superficie dello sporco appariva una tinta arrugginita, che indicava la formazione di ossido di ferro.

Svegliandosi una notte, Nielsen ha trovato una strana spiegazione: e se i batteri sepolti nel fango avessero completato la reazione redox, aggirando in qualche modo gli strati poveri di ossigeno? E se, invece, usassero l'abbondante fornitura di idrogeno solforato come donatore di elettroni e poi incanalassero gli elettroni verso la superficie ricca di ossigeno? Lì, nel processo di ossidazione, si forma ruggine se è presente il ferro.

Trovare cosa trasporta questi elettroni si è rivelato difficile. Innanzitutto, Niels Riesgaard-Petersen del team di Nielsen ha dovuto escludere una possibilità più semplice: le particelle metalliche nel sedimento trasportano gli elettroni in superficie e causano l'ossidazione. Ha realizzato questo inserendo uno strato di perline di vetro che non conducono elettricità in una colonna di terra. Nonostante questo ostacolo, i ricercatori hanno ancora trovato una corrente elettrica che si muove attraverso il fango, suggerendo che le particelle metalliche non erano conduttive.

Per vedere se un cavo o un filo trasportava elettroni, i ricercatori hanno quindi utilizzato un filo di tungsteno per praticare un taglio orizzontale attraverso la colonna di fango. La corrente si spense, come se fosse stato tagliato un filo. Altri lavori hanno ristretto le dimensioni del conduttore, suggerendo che dovrebbe avere un diametro di almeno 1 micrometro. "Questa è la dimensione normale dei batteri", afferma Nielsen.

Alla fine, le micrografie elettroniche hanno rivelato un probabile candidato: fibre batteriche lunghe e sottili che apparivano in uno strato di perline di vetro inserite in bicchieri pieni di fango dal porto di Aarhus. Ogni filamento era costituito da una pila di cellule - fino a 2.000 - racchiuse in una membrana esterna a coste. Nello spazio tra questa membrana e le celle sovrapposte, una pluralità di "fili" paralleli tese il filo per tutta la sua lunghezza. L'aspetto simile a un cavo ha ispirato il nome comune del microbo.

Meisman, un ex scettico, si convertì rapidamente. Poco dopo che Nielsen ha annunciato la sua scoperta, Meismann ha deciso di indagare su uno dei suoi campioni di fango marino. "Ho notato gli stessi cambiamenti di colore nel sedimento che ha visto", ricorda Meisman. "Era la direzione di Madre Natura di prenderlo più sul serio."

Il suo team ha iniziato a sviluppare strumenti e metodi per la ricerca microbica, a volte lavorando in collaborazione con il gruppo di Nielsen. È stato difficile andare. I filamenti batterici tendono a deteriorarsi rapidamente dopo l'isolamento e gli elettrodi standard per misurare le correnti in piccoli conduttori non funzionano. Ma una volta che i ricercatori hanno imparato a individuare un singolo filo e ad attaccare rapidamente un singolo elettrodo, "abbiamo riscontrato una conduttività davvero elevata", afferma Meisman. I cavi sotto tensione non possono competere con i fili di rame, ha affermato, ma corrispondono ai conduttori utilizzati nei pannelli solari e negli schermi dei telefoni cellulari, nonché ai migliori semiconduttori organici.

I ricercatori hanno anche analizzato l'anatomia dei batteri del cavo. Usando bagni chimici, hanno isolato il guscio cilindrico, scoprendo che conteneva da 17 a 60 fibre parallele incollate insieme all'interno. Il guscio è la fonte di conduzione, Meisman e colleghi hanno riportato l'anno scorso su Nature Communications. La sua composizione esatta è ancora sconosciuta, ma potrebbe essere a base di proteine.

"È un organismo complesso", afferma Nielsen, che ora dirige il Center for Electro-Microbiology, creato nel 2017 dal governo danese. Tra i problemi che il centro risolve c'è la produzione di massa di microbi in coltura. "Se avessimo una coltura pura, sarebbe molto più facile" testare le idee sul metabolismo cellulare e l'effetto dell'ambiente sulla conduzione, afferma Andreas Schramm del centro. I batteri in coltura semplificheranno inoltre l'isolamento dei cavi e le potenziali applicazioni di biorisanamento e biotecnologia.

Mentre i ricercatori sono sconcertati sui batteri nel cavo, altri stanno guardando un altro importante attore nel fango elettrico: batteri basati su nanofili che, invece di piegare le cellule in cavi, fanno crescere fili proteici lunghi da 20 a 50 nm da ciascuna cellula.

Come per i batteri dei cavi, la misteriosa composizione chimica dei depositi ha portato alla scoperta di microbi nanofili. Nel 1987, il microbiologo Derek Lovley, ora all'Università del Massachusetts Amherst, ha cercato di capire come il fosfato dalle acque reflue dei fertilizzanti - un nutriente che favorisce la fioritura delle alghe - viene rilasciato dai sedimenti sotto il fiume Potomac a Washington, DC. lavorarono e cominciarono a sradicarli dalla terra. Dopo averne coltivato uno, ora chiamato Geobacter Metallireducens, notò (al microscopio elettronico) che i batteri avevano sviluppato legami con i minerali di ferro vicini. Sospettava che gli elettroni fossero trasportati lungo questi fili e alla fine capì che Geobacter orchestrava reazioni chimiche nel fango, ossidando i composti organici e trasferendo elettroni ai minerali. Questi minerali ridotti rilasciano quindi fosforo e altri elementi.

Come Nielsen, Lovely ha affrontato lo scetticismo quando ha descritto per la prima volta il suo microbo elettrico. Oggi, tuttavia, lui e altri hanno registrato quasi una dozzina di tipi di microbi a nanofili, trovandoli in ambienti diversi dallo sporco. Molti trasportano elettroni da e verso le particelle nel sedimento. Ma alcuni si affidano ad altri microbi per ricevere o immagazzinare elettroni. Questa partnership biologica consente a entrambi i microbi di "impegnarsi in nuovi tipi di chimica che nessun organismo può fare da solo", afferma Victoria Orfan, geobiologa presso il California Institute of Technology. Mentre i batteri dei cavi risolvono i loro bisogni di ossidoriduzione venendo trasportati per lunghe distanze nel fango ossigenato, questi microbi dipendono dal metabolismo reciproco per soddisfare i loro bisogni di ossidoriduzione.

Alcuni ricercatori discutono ancora su come i nanofili batterici conducano gli elettroni. Lovley ei suoi colleghi sono convinti che la chiave siano le catene di proteine chiamate pilin, che sono costituite da amminoacidi circolari. Quando lui e i suoi colleghi hanno ridotto la quantità di amminoacidi ad anello nel pilin, i nanofili sono diventati meno conduttivi. "È stato davvero sorprendente", afferma Lovely, perché è generalmente accettato che le proteine siano isolanti. Ma altri pensano che questa domanda sia lungi dall'essere risolta. Orphan, ad esempio, afferma che sebbene "ci siano prove schiaccianti … non penso ancora che [la conduzione del nanofilo] sia ben compresa".

Ciò che è chiaro è che i batteri elettrici sono ovunque. Nel 2014, ad esempio, gli scienziati hanno scoperto batteri dei cavi in tre habitat molto diversi nel Mare del Nord: in una palude salata di marea, in un bacino del fondale marino dove i livelli di ossigeno scendono quasi a zero in alcune stagioni e in una pianura fangosa allagata vicino al mare. … costa. (Non li hanno trovati in un'area sabbiosa abitata da vermi che rimescolano sedimenti e interrompono i cavi.) Altrove, i ricercatori hanno trovato prove del DNA di batteri dei cavi in bacini oceanici profondi e poveri di ossigeno, aree termali e condizioni fredde. sversamenti, mangrovie e banchi di marea sia nelle regioni temperate che subtropicali.

I batteri dei cavi si trovano anche negli ambienti di acqua dolce. Dopo aver letto gli articoli di Nielsen nel 2010 e nel 2012, un team guidato dal microbiologo Rainer Meckenstock ha riesaminato le carote di sedimento perforate durante un'indagine sulla contaminazione delle acque sotterranee a Düsseldorf, in Germania. "Abbiamo trovato [i batteri dei cavi] esattamente dove pensavamo di trovarli", a profondità in cui l'ossigeno era esaurito, ricorda Mekenstock, che lavora all'Università di Duisburg-Essen.

I batteri nanowire sono ancora più diffusi. I ricercatori li hanno trovati nei suoli, nelle risaie, nelle viscere profonde e persino negli impianti di trattamento delle acque reflue, così come nelle acque dolci e nei sedimenti marini. Possono esistere ovunque si formino biofilm e l'ubiquità dei biofilm è un'ulteriore prova del grande ruolo che questi batteri possono svolgere in natura.

L'ampia varietà di batteri dei fanghi elettrici suggerisce anche che svolgono un ruolo importante negli ecosistemi. Ad esempio, prevenendo l'accumulo di idrogeno solforato, i batteri dei cavi probabilmente rendono lo sporco più abitabile per altre forme di vita. Meckenstock, Nielsen e altri li hanno trovati sopra o vicino alle radici di alghe e altre piante acquatiche che rilasciano ossigeno, che i batteri probabilmente usano per abbattere l'idrogeno solforato. Questo, a sua volta, protegge le piante dal gas tossico. La partnership "sembra molto caratteristica delle piante acquatiche", ha detto Meckenstock.

Robert Aller, un biogeochimico marino della Stony Brook University, crede che i batteri possano anche aiutare molti invertebrati sottomarini, compresi i vermi che costruiscono tane che consentono all'acqua ossigenata di entrare nel fango. Ha trovato batteri dei cavi che si attaccavano ai lati dei tubi del verme, presumibilmente in modo da poter usare questo ossigeno per immagazzinare elettroni. A loro volta, questi vermi sono protetti dall'acido solfidrico tossico. "I batteri rendono [la tana] più vivibile", afferma Aller, che ha descritto i collegamenti in un articolo di luglio 2019 su Science Advances.

I microbi alterano anche le proprietà dello sporco, afferma Saira Malkin, ecologista presso il Center for Environmental Sciences dell'Università del Maryland. "Sono particolarmente efficaci… ingegneri dell'ecosistema." I batteri dei cavi "crescono a macchia d'olio", dice; Sulle barriere coralline delle ostriche, ha scoperto, un centimetro cubo di fango può contenere 2.859 metri di cavi che cementano le particelle sul posto, rendendo forse il sedimento più resistente agli organismi marini.

I batteri alterano anche la chimica dello sporco, rendendo gli strati più vicini alla superficie più alcalini e gli strati più profondi più acidi, ha scoperto Malkin. Tali gradienti di pH possono influenzare "numerosi cicli geochimici", compresi quelli associati ad arsenico, manganese e ferro, ha affermato, creando opportunità per altri microbi.

Poiché vaste aree del pianeta sono ricoperte di fango, affermano i ricercatori, è probabile che i batteri associati a cavi e nanofili abbiano un impatto sul clima globale. I batteri nanowire, ad esempio, possono prendere elettroni da materiali organici come le diatomee morte e poi trasmetterli ad altri batteri che producono metano, un potente gas serra. In varie circostanze, i batteri dei cavi possono ridurre la produzione di metano.

Nei prossimi anni, "vedremo un riconoscimento diffuso dell'importanza di questi microbi per la biosfera", afferma Malkin. Poco più di dieci anni dopo che Nielsen ha notato la misteriosa scomparsa dell'idrogeno solforato dal fango di Aarhus, dice: "È vertiginoso pensare a cosa abbiamo a che fare qui".

Prossimo: un telefono alimentato da cavi microbici?

I pionieri dei microbi elettrici hanno rapidamente pensato a come utilizzare questi batteri."Ora che sappiamo che l'evoluzione è stata in grado di creare cavi elettrici, sarebbe un peccato non usarli", afferma Lars Peter Nielsen, microbiologo dell'Università di Aarhus.

Una possibile applicazione è il rilevamento e il controllo degli inquinanti. I microbi dei cavi sembrano prosperare in presenza di composti organici come il petrolio, e Nielsen e il suo team stanno testando la possibilità che l'abbondanza di batteri dei cavi segnali la presenza di inquinamento da scoprire nelle falde acquifere. I batteri non degradano direttamente l'olio, ma possono ossidare il solfuro prodotto da altri batteri oleosi. Possono anche aiutare a ripulire; la pioggia si riprende più velocemente dalla contaminazione del petrolio greggio quando è colonizzata dai batteri dei cavi, un altro gruppo di ricerca ha riportato a gennaio sulla rivista Water Research. In Spagna, un terzo team sta studiando se i batteri dei nanofili possono accelerare la bonifica delle zone umide inquinate. E anche prima che i batteri basati su nanofili fossero elettrici, mostravano la promessa di decontaminare i rifiuti nucleari e le falde acquifere contaminate da idrocarburi aromatici come il benzene o il naftalene.

I batteri elettrici possono anche dare origine a nuove tecnologie. Possono essere geneticamente modificati per alterare i loro nanofili, che possono quindi essere tagliati per formare la spina dorsale di sensori indossabili sensibili, secondo Derek Lovley, microbiologo dell'Università del Massachusetts (UMass), Amherst. "Possiamo progettare nanofili e adattarli per legare in modo specifico i composti di interesse". Ad esempio, nel bel numero dell'11 maggio di Nano Research, l'ingegnere UMass Jun Yao e i loro colleghi hanno descritto un sensore basato su nanofili che rileva l'ammoniaca nelle concentrazioni necessarie per applicazioni agricole, industriali, ambientali e biomediche.

Creati come un film, i nanofili possono generare elettricità dall'umidità nell'aria. I ricercatori ritengono che il film generi energia quando si verifica un gradiente di umidità tra i bordi superiore e inferiore del film. (Il bordo superiore è più suscettibile all'umidità.) Quando gli atomi di idrogeno e di ossigeno dell'acqua si separano a causa del gradiente, viene generata una carica e gli elettroni fluiscono. Yao e il suo team hanno riferito su Nature il 17 febbraio che un film del genere potrebbe creare energia sufficiente per illuminare un diodo a emissione di luce e 17 dispositivi di questo tipo collegati tra loro potrebbero alimentare un telefono cellulare. L'approccio è "una tecnologia rivoluzionaria per generare energia rinnovabile, pulita ed economica", afferma Qu Lianti, scienziato dei materiali presso la Tsinghua University. (Altri sono più cauti, notando che i tentativi passati di estrarre energia dall'umidità usando grafene o polimeri non hanno avuto successo.)

In definitiva, i ricercatori sperano di sfruttare le capacità elettriche dei batteri senza dover affrontare microbi esigenti. Catch, ad esempio, ha convinto il comune batterio Escherichia coli da laboratorio e industriale a realizzare nanofili. Ciò dovrebbe rendere più facile per i ricercatori la produzione in serie delle strutture e lo studio delle loro applicazioni pratiche.