باتری های زنده تنفسی که مولکول ها می سازند!

این الکترون‌ها که در بازدم آزاد می‌شوند، همیشه به ماده‌ای برای تجمع در آن نیاز دارند (معمولاً در یک ماده معدنی فراوان در آب‌های زیرزمینی مانند اکسید آهن تجمع می‌یابند) و ژئوباکتر‌ها ابزاری غیرمتعارفی برای اطمینان از رسیدن الکترون‌ها به این ماده دارند. نیخیل مالوانکار، استادیار مرکز تحقیقات علوم میکروبی دانشگاه ییل در کنتیکت گفت: «ژئوباکتر‌ها ازطریق بخشی که اساساً یک لوله تنفسی به شمار می‌آید که صدها برابر اندازه آن‌ها است، تنفس می‌کند.»

این لوله‌های تنفسی «نانوسیم» (nanowire) نامیده می‌شوند. اگرچه این رشته‌های ریز و رسانا اندازه‌ای ۱۰۰ هزار برابر کوچک‌تر از عرض موی انسان دارند، می‌توانند الکترون‌ها را تا صدها یا هزاران برابر طول سلول یک ژئوباکتر منتقل کنند. به دلیل وجود این سازگاری، ژئوباکترها یکی از مهم‌ترین سیستم‌های تنفسی زمین به شمار می‌آیند. در هر زمان مشخص، میلیاردها باکتری در کف دریاها الکتریسیته تولید می‌کنند.

در مطالعه جدیدی که در ۱۷ آگوست در مجله Nature Chemical Biology منتشر شد، مالوانکار و همکارانش کشف کردند که چگونه می‌توان این انرژی را با یک شبکه قدرتمند میکروبی ترکیب کرد. محققان با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته میکروسکوپی، «مولکول مخفی» را کشف کردند که به ژئوباکتر اجازه می‌دهد در فواصل بسیار طولانی که قبلا در باکتری دیده نشده بود، تنفس کند. این گروه از محققان همچنین دریافتند که با تحریک کلنی‌های ژئوباکتر با یک میدان الکتریکی، این باکتری‌ها هزار برابر کارآمدتر از محیط طبیعی خود، انرژی الکتریکی را هدایت می‌کنند.

^{نانوسیم‌های هدایت کننده الکتریسیته به شکل رشته‌های باریک قرمز رنگ مشاهده می‌شوند.}

براساس این نتایج پژوهشگران بیان کردند که درک این سازگاری‌های ذاتی و الکتریکی می‌تواند گامی ‌اساسی در تبدیل کلنی‌های ژئوباکتر به باتری‌های زنده و تنفسی باشد. برای ساخت وسایل الکترونیکی می‌توان از باکتری‌های تولیدکننده الکتریسیته استفاده کرد.

عجیب‌ترین میکروب

به‌گفته پژوهشگران این مطالعه، در اعماق زمین و در خاکی مرطوب و فاقد اکسیژن، ژئوباکتر می‌تواند در محیط‌های سختی زندگی کند که تعداد کمی ‌از میکروب‌های دیگر می‌توانند زنده بماند. نانوسیم‌ها که به ژئوباکترها امکان می‌دهند در غیاب اکسیژن تنفس کنند، برای زنده‌نگه‌داشتن این باکتری‌ها روی زمین (جایی که گیرنده‌های الکترونی مانند اکسید آهن به‌ندرت بیش از چند میلیونیوم متر با آن‌ها فاصله دارند) از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند. بااین‌حال، کلنی‌های ژئوباکتر که در آزمایشگاه رشد می‌کنند، همیشه امکان زندگی در مجاورت مواد معدنی فراوان را ندارند.

در تحقیقات اخیر، مالوانکار و همکارانش دریافتند که ژئوباکترهای احیاکننده سولفور که در آزمایشگاه رشد کرده‌اند، در هنگام قرار گرفتن در معرض یک الکترود کوچک یا دیسک انتقال‌دهنده الکتریسیته، از یک ترفند هوشمندانه دیگر برای زنده‌ماندن استفاده می‌کنند. باکتری‌های تحریک‌شده با میدان الکتریکی، در قالب بیوفیلم‌های متراکمی تجمع می‌یابند. در این حالت انبوهی از صدها میکروب جداگانه‌ی به‌هم‌پیوسته، الکترون‌ها را ازطریق یک شبکه مشترک به حرکت در می‌آورند.

مالوانکار در این رابطه می‌گوید: «این باکتری‌ها مانند آپارتمان‌های بلند، به شکل صدها طبقه روی هم قرار می‌گیرند و همه آن‌ها می‌توانند یک شبکه الکتریکی مشترک داشته باشند و به‌طور مداوم الکترون‌ها را هدایت ‌کنند.» سؤال بزرگی که مالوانکار و همکارانش را با مشکل مواجه کرده، این است که چگونه میکروب‌ها در طبقه صدم این ساختمان می‌توانند الکترون‌ها را تا انتهای این سازه هدایت کرده و سپس ازطریق نانوسیم خارج کنند.

برای کشف اسرار نانوسیم، محققان این مطالعه با استفاده از دو تکنیک میکروسکوپی پیشرفته، محیط‌های کشت‌ آزمایشگاهی ژئوباکترها را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. اولین تکنیک میکروسکوپی مورد استفاده، «میکروسکوپ نیروی اتمی ‌با وضوح بالا» نامیده می‌شود. این میکروسکوپ با لمس سطح مورد مطالعه با یک کاوشگر مکانیکی بسیار حساس، اطلاعات دقیق در مورد ساختار نانوسیم‌ها را جمع آوری کرد.

سیبل ابرو یالچین، نویسنده اصلی تحقیق در مرکز تحقیقات علوم میکروبی ییل در مورد عملکرد این میکروسکوپ توضیح داد: «عملکرد این میکروسکوپ به نوعی شبیه خواندن خط بریل است، با این تفاوت که می‌تواند برجستگی‌هایی در حدود یک میلیاردم متر را مورد بررسی قرار دهد.»

محققان ازطریق تکنیک میکروسکوپی دوم، به‌نام «نانو اسپکتروسکوپی مادون قرمز»، مولکول ‌های خاصی را در نانوسیم‌ها براساس نحوه پراکندگی نور مادون قرمز ورودی شناسایی کردند. براساس گفته‌های یالچین، با این دو روش، محققان «اثر انگشت منحصر‌به‌فرد» هر اسید آمینه را در پروتئین‌های سازنده نانوسیم‌های ژئوباکتر مشاهده کردند.

تیم تحقیق به این نتیجه رسید، هنگامی‌ که ژئوباکتر توسط یک میدان الکتریکی تحریک می‌شود، یک نوع نانوسیم تولید می‌کند که قبلا ناشناخته بود و از پروتئینی به‌نام «OmcZ» ساخته می‌شود. این پروتئین که از واحدهای سازنده فلزی و کوچک به‌نام «هِم» (heme) ساخته شده است، نانوسیم‌هایی را ایجاد می‌کند که هزار برابر کارآمدتر از نانوسیم‌های معمولی ژئوباکتر در خاک الکتریسیته را هدایت می‌کند و به باکتری‌ها اجازه می‌دهد که الکترون‌ها را تا فواصل زیادی هدایت کنند.

توانایی تولید الکتریسیته توسط باکتری‌ها در گذشته شناخته شده بود؛ اما ساختار مولکولی تولیدکننده الکتریسیته در باکتری‌ها مشخص نبود که مالوانکار و همکارانش این مولکول پروتئینی را شناسایی کردند.

باتری‌های زنده تنفسی

بیش از یک دهه است که محققان از کلنی‌های ژئوباکتر برای تأمین انرژی ساختارهای الکترونیکی کوچک استفاده می‌کنند. مزیت اصلی این سلول‌های سوختی میکروبی، طول عمر آن‌ها است. باکتری‌ها می‌توانند تقریبا به‌طور نامحدود خود را ترمیم کرده و تولید مثل کنند و بار الکتریکی کوچکی را به‌طور مداوم ایجاد ‌کنند. در یک آزمایش نیروی دریایی ایالات متحده که در سال ۲۰۰۸ انجام شد، محققان از یک پیل سوختی ژئوباکتر برای تأمین انرژی یک بویه هواشناسی کوچک در رودخانه پوتامک واشنگتن دی سی برای بیش از ۹ ماه استفاده کردند، بدون اینکه هیچ نشانه‌ای از کاهش انرژی الکتریکی نشان دهد. بااین‌حال، شارژی که توسط این پیل‌های سوختی تأمین می‌شود، بسیار ناچیز است (قدرت بویه هواشناسی نیروی دریایی در حدود ۳۶ میلی‌وات یا هزارم وات بود) و همین امر تأمین انرژی انواع وسایل الکترونیکی که توسط باکتری‌ها قابل تأمین است را محدود می‌کند.

باتوجه‌به تحقیقات جدید، دانشمندان اکنون می‌دانند که چگونه نانوسیم‌های میکروبی را برای تقویت و رسانایی بیشتر دستکاری کنند. مالوانکار در این مورد افزود: «این اطلاعات می‌تواند تولید ابزارهای بیوالکترونیکی را ارزان‌تر و آسان‌تر کند و امیدوارم این یافته، شروعی برای تولید نسل جدیدی از باتری‌های مبتنی بر باکتری و سازگار با محیط‌زیست باشد.» وی در پایان به این نکته اشاره کرد: «ما هنوز تا امکان شارژ آیفون‌های خود با یک مشت ژئوباکتر فاصله داریم، اما درک قدرت شبکه الکتریکی میکروسکوپی کمی‌ آسان‌تر شد.»