Скафандр для бактерии
Химики из университета Калифорнии в Беркли, работающие под руководством профессора Пэйдуна Яна (Peidong Yang), разработали защитную оболочку, позволяющую бактериям выживать в непригодных для их существования условиях. Целью создания этой оболочки является увеличение продолжительности функционирования уникальной системы, в которой живые бактерии объединены с поглощающими свет полупроводниками. Такая комбинация позволяет захватывать углекислый газ и конвертировать его в химические соединения, пригодные для использования в промышленности или, если пофантазировать, в условиях космических колоний будущего.
Металлорганические структуры покрывают бактерии, формируя мягкую оболочку, растягивающуюся по мере роста и деления бактерий и защищающую бактерии от кислорода и его активных форм.
Эта система имитирует процесс фотосинтеза в растениях. Однако тогда как растения поглощают углекислый газ и с помощью энергии солнечного света конвертируют его в углеводы, в том числе употребляемые нами в пищу, гибридная система поглощает углекислый газ и свет для производства различных углеродсодержащих соединений, отличающихся в зависимости от типа бактерий.
Использованные в экспериментах бактерии являются анаэробными, то есть приспособленными для жизни в условиях, обедненных кислородом. Обычно для поддержания своей жизнедеятельности такие микроорганизмы поглощают электроны из окружающей среды. В своем первом исследовании в 2016 году, посвященном комбинированию бактерий с твердыми нанопроволоками из оксида кремния, профессор Ян обнаружил, что при добавлении в питательную среду кадмия анаэробные бактерии покрывают себя естественной полупроводниковой оболочкой из сульфида кадмия, эффективно поглощающей свет и снабжающей бактерии электронами.
Повышение эффективности захвата электронов бактериями повышает активность протекающих в них биохимических процессов и, соответственно, синтеза полезных углеродсодержащих продуктов. Однако этот процесс сопровождается продукцией активных форм кислорода, оказывающих на бактерий губительное действие.
Для решения этой проблемы в рамках своего последнего исследования авторы разработали защитную оболочку, формируемую на поверхности бактерий добавляемыми в питательную среду фрагментами металлорганических структур на основе циркония. Получающаяся в результате гибкая сетчатая металлорганическая структура толщиной один нанометр, местами покрывает поверхность бактериальной клетки и, в отличие от твердых металлорганических нанопроволок, препятствующих нормальному протеканию процесса роста и деления бактерий, позволяет бактериям увеличиваться в размерах и делиться. По окончании процесса деления свободные участки поверхности бактериальных клеток покрываются новыми содержащимися в растворе металлорганическими структурами.
Непроницаемая для молекулярного кислорода и его активных форм металлорганическая оболочка при нормальных концентрациях кислорода (около 20% по объему) в пять раз увеличивает продолжительность жизни бактерий, что в большинстве случаев превышает продолжительность жизни в нормальной для них среде обитания. Продолжительность жизни таких микроорганизмов варьирует от нескольких недель до нескольких месяцев, после чего их можно удалить из системы и заменить новыми.
Гибридная система может быть выигрышным подходом как для промышленности, так и для окружающей среды. Она способна поглощать углекислый газ, выбрасываемый в атмосферу электростанциями, и конвертировать его в полезные продукты. Помимо этого ее можно будет использовать для синтеза необходимых химических соединений в условиях искусственной окружающей среды, таких как внутри космических кораблей.
При добавлении в питательную среду кадмия бактерии Moorella thermoacetica покрываются абсорбирующими свет частицами сульфида кадмия, в результате чего получается гибридная искусственная система, конвертирующая солнечный свет и углекислый газ в ценные химические продукты.
В своих экспериментах исследователи использовали бактерии Morella thermoacetica и Sporomusa ovata, синтезирующие уксусную кислоту – важное сырье для химической промышленности. Эти микроорганизмы выбрали из-за того, что продуцируемый ими продукт всегда на 100% состоит из уксусной кислоты. Однако авторы отмечают, что при необходимости всегда можно подобрать бактерии, синтезирующие метан, этанол или другое углеродсодержащее соединение.
На сегодняшний день авторы продолжают работать над улучшением свойств системы, таких как эффективность поглощения света, перенос электронов и продукция специфичных соединений. Они рассчитывают, что комбинирование этих оптимизированных свойств с новыми метаболическими механизмами позволят продуцировать с помощью бактерий более сложные молекулы.
Статья Zhe Ji et al. Cytoprotective metal-organic frameworks for anaerobic bacteria опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Евгения Рябцева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам University of California, Berkeley: ‘Spacesuits’ protect microbes destined to live in space.