A világ minden táján előforduló, iszapos üledékekben élő baktériumok úgy táplálkoznak és növekednek, hogy közben elektromosan vezető vezetékeket építenek ki. Egy kutatócsoport tagjai azt állítják, hogy felfedezték, hogyan dolgoznak ezek a miniatűr villanyszerelők, az úgynevezett kábelbaktériumok: nikkelből és szerves vegyületekből apró lemezeket készítenek, amelyeket összekötnek és -fonnak, így vezető szálakat hozva létre.

A szakértők úgy vélik, hogy megtalálták az első biológiai példát a fémorganikus vázszerkezetre, egy olyan anyagtípusra, amelynek létrehozói a múlt hónapban kémiai Nobel-díjat kaptak. A baktériumok által létrehozott vezetékek sokkal jobban vezetik az elektromosságot, mint a szintetikus organikus vezetékek, ami rugalmas, biokompatibilis, alacsony fém- és energiafelhasználású elektronikai fejlesztésekhez vezethet.

Az új tanulmány, amelyet a múlt hónapban preprintben tettek közzé a bioRxiv oldalon, még nem került lektorálásra. Lars Peter Nielsen, az Aarhus Egyetem elektromikrobiológusa, aki nem vett részt a vizsgálatban, mindenesetre nagyon lenyűgözőnek tartja az eredményt. „Ha ez igaznak bizonyul, akkor jelentős lépés lehet a kábelbaktériumok képességeinek megértésében” – mondja. „Évek óta ezt keressük.”

Amióta Nielsen csapata 2009-ben Dániában, az aarhusi kikötőben először felfedezte a kábelbaktériumokat, ezeket a mikroorganizmusokat világszerte megtalálták tavak, folyók és óceánok üledékeiben. Kénben gazdag vegyületekkel táplálkoznak, amelyeket a bomló szerves anyagok, például a hidrogén-szulfid bocsátanak ki. A baktériumok elvonják az elektronokat a szagos, színtelen gázból, és végül átadják azokat az oxigénnek, amely csak az üledék felső rétegében található meg bőségesen. Ahogy az elektronok a hidrogén-szulfid magasabb energiájú állapotából az oxigén alacsonyabb energiájú állapotába kerülnek, a mikrobák hasznosítani tudják ezt az energiatöbbletet.

Ahhoz, hogy növekedjenek és hozzáférjenek a mélyebb üledékekben bőségesen megtalálható hidrogén-szulfidhoz, a mikrobáknak folytatniuk kell a reakciókat azáltal, hogy az elektronokat átadják a felszínen lévő oxigénnek. A baktériumok megoldása: megosztás és együttműködés. Ahogy a baktériumok szaporodnak, vezetékeket formálnak az iszapban, egy közös külső sejtmembránnal rendelkező egyedi szuperorganizmust alkotva. „Ez egyedülálló jelenség a biológiában” – mondja Derek Lovley, a Massachusettsi Egyetem mikrobiológusa.

A kutatók már 5 centiméter hosszú vezetékeket is találtak, amelyek 25 ezer kábelbaktériumból állnak. Egy négyzetméter üledékben becslések szerint 20 ezer kilométernyi bakteriális vezeték található. A kutatók úgy találták, hogy ezek az apró mérnökök alapvetően átalakítják az üledék kémiai összetételét azáltal, hogy elősegítik az ásványi anyagok átalakulását, ösztönzik a tápanyagok körforgását és stimulálják az ionok vándorlását, ami a mélyebb rétegek savasodását eredményezi.

Több mint egy évtizednyi kutatás ellenére nem sikerült azonban meghatározni a vezetékek szerkezetét. Filip Meysman, az Antwerpeni Egyetem vegyészmérnöke azonban közelebb hozta a választ. Kollégáival izolálták a baktériumok egyes szálait, és elektronmikroszkópos vizsgálatokkal megállapították, hogy azok kerületén tucatnyi kiemelkedés található, amelyek 50 nanométer átmérőjű vezető szálakat tartalmaznak. Közelebbről megvizsgálva a kutatók azt látták, hogy ezek a szálak még kisebb, összefont „nanoszalagok” kötegeit tartalmazzák.

Ezután a csapat röntgenspektroszkópiát, röntgenfluoreszcenciát és számítógépes modellezést használva meghatározta ezeknek a nanoszalagoknak a szerkezetét. A kutatók most úgy vélik, hogy a kábelbaktériumok kis mennyiségben nikkelt gyűjtenek az üledékekből és a vízből, és ezeket a fématomokat kénben gazdag szerves vegyületekhez kapcsolva hosszú, lemezszerű struktúrákat hoznak létre. Ezeket a lemezeket egymásra rakják, így nanoszalagokat hoznak létre, amelyeket aztán kötegekbe fonnak, így rugalmas vezetékeket hozva létre, hasonlóan a mai háztartási elektronikai eszközökben használt, fonott rézvezetékekhez. „Lenyűgöző, hogy az evolúció hogyan optimalizálta ezt a szerkezetet” – mondja Nielsen.

A kutatók ráadásul úgy vélik, hogy ez a szerkezet az első ismert, biológiailag előállított fémorganikus vázszerkezet, egy olyan anyagcsoport, amely évek óta izgatja a kémikusok fantáziáját. Ezeknek a porózus anyagoknak az üreges részei úgy alakíthatók, hogy bizonyos molekulákat fogjanak be, így hasznosak lehetnek hidrogén és metán tárolására, vagy a levegőből vízgőz vagy szén-dioxid felszívására.

A vegyészek is kidolgoztak saját módszereiket a nikkel és a szerves vegyületek vezetőképes nanohuzalokká való szintézisére. Meysman és kollégái azonban arról számoltak be, hogy a bakteriális nanoszalagok százszor vezetőképesebbek, mint a szintetikus változatok. Lovley elmondása szerint a kutatók már dolgoznak más bakteriális vezetékek adaptálásán, hogy mesterséges idegsejteket és új típusú kémiai érzékelőket hozzanak létre, sőt, hogy közvetlenül a párás levegőből nyerjenek elektromosságot.