کشف باکتری‌هایی که برق تنفس می‌کنند!

به گزارش ایسنا، تیمی به سرپرستی «کارولین آجو-فرانکلین»(Caroline Ajo-Franklin) زیست‌شناس «دانشگاه رایس»(Rice) دریافته است که چگونه برخی از باکتری‌ها با تولید برق، تنفس می‌کنند و از یک فرآیند طبیعی استفاده می‌کنند که به جای تنفس اکسیژن، الکترون‌ها را به محیط اطراف خود منتقل می‌کنند.

این امر می‌تواند منجر به پیشرفت‌های جدیدی در زمینه انرژی پاک و زیست‌فناوری صنعتی شود. این یک استراتژی بقای شگفت‌انگیز است که می‌تواند سامانه‌های زیست‌فناوری و انرژی را متحول کند.

به نقل از اس‌تی‌دی، پژوهشگران با شناسایی نحوه دفع الکترون‌ها توسط این باکتری‌ها، نگاهی اجمالی به یک استراتژی پنهان از زندگی باکتریایی ارائه می‌دهند. این کار که زیست‌شناسی را با الکتروشیمی ادغام می‌کند، زمینه را برای فناوری‌هایی در آینده‌ فراهم می‌کند که از قابلیت‌های منحصربه‌فرد این موجودات میکروسکوپی استفاده می‌کنند.

«آجو-فرانکلین»، استاد زیست‌شناسی، سرپرست «موسسه زیست‌شناسی مصنوعی رایس» و پژوهشگر «موسسه پیشگیری و تحقیقات سرطان تگزاس»(CPRIT) می‌گوید: مطالعات ما نه تنها یک راز علمی دیرینه را حل می‌کند، بلکه به یک استراتژی بقای جدید و بالقوه گسترده در طبیعت نیز اشاره دارد.

تنفس الکتریکی

اکثر موجودات مدرن برای متابولیسم غذا و آزاد کردن انرژی به اکسیژن متکی هستند. اکسیژن به عنوان آخرین پذیرنده الکترون در زنجیره‌ای از واکنش‌ها عمل می‌کند که انرژی تولید می‌کند، اما باکتری‌ها بسیار قدیمی‌تر از موجودات مدرن مانند انسان و گیاهان هستند و راه‌های دیگری را برای تنفس در محیط‌های فاقد اکسیژن، فرگشت(تکامل) داده‌اند.

دانشمندان دریافتند که برخی از باکتری‌ها از ترکیبات طبیعی موسوم به «نفتوکینون‌ها»(naphthoquinones) برای انتقال الکترون‌ها به سطوح خارجی استفاده می‌کنند. نام این فرآیند «تنفس خارج سلولی»(extracellular respiration) است و شبیه به نحوه تخلیه جریان الکتریکی توسط باتری‌هاست. این فرآیند باکتری‌ها را قادر می‌سازد تا بدون اکسیژن رشد کنند.

دانشمندان مدت‌هاست که این حالت غیرمعمول تنفس را مشاهده کرده‌اند و از آن در زیست‌فناوری استفاده کرده‌اند. اکنون، این تیم مکانیسم آن را کشف کرده‌ است و پیشرفت آنها نشان می‌دهد «تنفس خارج سلولی» ممکن است در طبیعت بسیار رایج‌تر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، باشد.

«بیکی باپی کوندو»(Biki Bapi Kundu) دانشجوی دکترای دانشگاه «رایس» و نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: این مکانیسم تنفسی که به تازگی کشف شده است، یک راه ساده و مبتکرانه برای انجام کارهاست. «نفتوکینون‌ها» مانند پیک‌های مولکولی عمل می‌کنند و الکترون‌ها را از سلول خارج می‌کنند تا باکتری‌ها بتوانند غذا را تجزیه و انرژی تولید کنند.

شبیه‌سازی زندگی بدون اکسیژن

دانشمندان با استفاده از شبیه‌سازی رایانه‌ای پیشرفته، رشد باکتری‌ها را در محیط‌های فاقد اکسیژن اما غنی از سطوح رسانا شبیه‌سازی کردند.

این شبیه‌سازی‌ها نشان داد که باکتری‌ها می‌توانند با تخلیه الکترون‌ها به بیرون، خود را حفظ کنند. آزمایش‌های بیشتر تأیید کرد که باکتری‌های قرار داده شده روی مواد رسانا به رشد خود ادامه می‌دهند و برق تولید می‌کنند و عملاً از طریق سطح تنفس می‌کنند.

این رویکرد منجر به درک عمیق‌تری از تطبیق‌پذیری متابولیسم باکتریایی شد و یک روش لحظه‌ای برای نظارت و تأثیرگذاری الکترونیکی بر رفتار باکتریایی را آشکار کرد.

کاربردها در فناوری پاک و فراتر از آن

این کشف اساسی، پیامدهای عملی گسترده‌ای دارد. فرآیندهای زیست‌فناوری مانند تصفیه فاضلاب و تولید زیستی می‌توانند از طریق مدیریت بهتر تعادل الکترون‌ها به طور قابل توجهی بهبود یابند. باکتری‌های بازدم‌کننده الکتریسیته می‌توانند این عدم تعادل‌ها را برطرف کنند تا سامانه‌ها به طور کارآمد به کار خود ادامه دهند.

«آجو-فرانکلین» خاطرنشان کرد: کار ما پایه و اساس مهار کربن دی‌اکسید از طریق الکتریسیته تجدیدپذیر را فراهم می‌کند، جایی که باکتری‌ها عملکردی مشابه با گیاهان و نور خورشید در فتوسنتز دارند. این امر پنجره‌ای را به سوی ساخت فناوری‌های هوشمندتر و پایدارتر با محوریت زیست‌شناسی باز می‌کند.

این فناوری همچنین ممکن است موجب توسعه حسگرهای زیست‌الکترونیکی در محیط‌های فاقد اکسیژن شود و ابزارهای جدیدی را برای تشخیص پزشکی، نظارت بر آلودگی و اکتشافات فضایی عمیق ارائه دهد.

این یافته‌ها در مجله Cell منتشر شده‌اند.