عدم امتلاك البكتيريا للرئتين كما الانسان لا يعني بأنها لا تتنفس او ان عملية تنفسها امرا غير معقد

اكتشف العلماء الجزيء الذي يسمح للبكتيريا بانتاج الكهرباء هذه البكتيريا تحول الكبريت إلى كهرباء - هكذا "يتنفس" إنها تزيل النفايات العضوية وتخرج الإلكترونات وتقوم بذلك عن طريق خيوط موصلة كأنبوب للتنفس

عدم امتلاك البكتيريا للرئتين كما الانسان لا يعني بأنها لا تتنفس او ان عملية تنفسها امرا غير معقد .

Geobacter - وهو جنس من البكتيريا يسكن المياه الجوفية في كل مكان - يبتلع النفايات العضوية ويزفر الإلكترونات ، ويولد تيارًا كهربائيًاصغيرًا اثناء هذه العملية.

تحتاج هذه الإلكترونات الضائعة دائمًا إلى مكان ما للذهاب إليه (عادة إلى معدن وفير تحت الأرض مثل أكسيد الحديد) ، ولدى Geobacter أداة غير تقليدية للتأكد من وصولها إلى هناك.

قال نيخيل مالفانكار ، الأستاذ المساعد في معهد العلوم الميكروبية بجامعة ييل في ولاية كونيتيكت "تتنفس Geobacter من خلال ما هو فيالأساس انابيب عملاقة ، بمئات أضعاف حجمها".

"أنبوب التنفس" هذا يسمى nanowire. على الرغم من أن هذه الخيوط الدقيقة الموصلة أصغر 100000 مرة من عرض شعرة الإنسان ،إلا أنها قادرة على نقل الإلكترونات من مئات إلى آلاف المرات من طول جسم ميكروب الجيوباكتير.

بفضل هذا التكيف ، تعد Geobacter من أكثر أجهزة التنفس إثارة للإعجاب على وجه الأرض. ("لا يمكنك الزفير على ارتفاع 1000 قدم[300 متر] أمامك ، أليس كذلك؟" قال مالفانكار).

في أي وقت من الأوقات ، تنبض مليارات البكتيريا بالكهرباء تحت قاع البحر. الآن ، في دراسة جديدة نُشرت في 17 أغسطس في مجلةNature Chemical Biology ، اكتشف مالفانكار وزملاؤه كيفية دمج هذه الطاقة في شبكة طاقة ميكروبية قوية.

باستخدام تقنيات الفحص المجهري المتقدمة ، كشف الباحثون النقاب عن "الجزيء السري" الذي يسمح لبكتيريا Geobacter بالتنفسلمسافات طويلة للغاية لم تكن موجودة من قبل في البكتيريا.

وجد الفريق أيضًا أنه من خلال تحفيز مستعمرات Geobacter بمجال كهربائي ، توصل الميكروبات الكهرباء بكفاءة أعلى 1000 مرة مماتفعله في بيئتها الطبيعية.

قال الباحثون إن فهم هذه التعديلات الكهربائية الفطرية يمكن أن يكون خطوة حاسمة في تحويل مستعمرات Geobacter إلى بطاريات حيةوتتنفس على حد وصفهم

قال مالفانكار: "نعتقد أن هذا [الاكتشاف] يمكن أن يستخدم في صنع الإلكترونيات من البكتيريا الموجودة تحت قدميك".

قال مؤلفو الدراسة إن Geobacter يمكن أن تعيش في بيئات قاسية لا تستطيع سوى القليل من الميكروبات الأخرى ان تعيشها

الموصلات النانوية ، التي تسمح لهم بالتنفس في غياب الأكسجين ، ضرورية للحفاظ على ميكروبات Geobacter حية في الأرض ، حيثنادرًا ما تكون مستقبلات الإلكترون مثل أكسيد الحديد على بعد بضعة أجزاء من المليون من المتر.

ومع ذلك ، فإن مستعمرات Geobacter التي تنمو في المختبر لا تتمتع دائمًا برفاهية العيش بالقرب من المعادن الوفيرة.

في بحث سابق ، وجد Malvankar وزملاؤه أن ميكروبات Geobacter sulfurreducens المزروعة في المختبر تظهر خدعة أخرى ذكيةللبقاء عند تعرضها لقطب كهربائي صغير ، أو قرص يوصل الكهرباء

اذ يتم تحفيز الميكروبات بواسطة المجال الكهربائي ، وتتجمع في أغشية حيوية كثيفة - أكوام مترابطة من مئات الميكروبات الفردية ، وتحركالإلكترونات عبر شبكة مشتركة واحدة.

قال مالفانكار: "إنها مكدسة مثل شقق شاهقة ، يبلغ ارتفاعها مئات الطوابق". ويمكنهم جميعًا أن يشتركوا في نفس الشبكة الكهربائية ،مما يؤدي إلى فقدان الإلكترونات باستمرار.

السؤال الكبير الذي أثار حفيظة مالفانكر وزملائه هو كيف يمكن للميكروبات الموجودة في "الطابق المائة من مبنى شاهق" ، على حد تعبيره، إطلاق الإلكترونات على طول الطريق إلى أسفل الكومة ، ثم الخروج من خلال سلك نانوي - زفير الإلكترونات بفعالية على مسافة آلافالمرات من طول جسم الميكروب الأصلي.

قال مالفانكر إن مثل هذه المسافات "لم تُرَ من قبل" في التنفس الميكروبي ، وتؤكد على مدى تميز الجيوباكتر عندما يتعلق الأمر بالبيئات الصعبة.

لاكتشاف أسرار الأسلاك النانوية ، حلل مؤلفو الدراسة الجديدة اليات Geobacter المزروعة في المختبر باستخدام طريقتين من تقنيات للفحص المجهري المتطورة.

الأولى ، الذي يسمى الفحص المجهري للقوة الذرية عالي الدقة ، يجمع معلومات مفصلة حول بنية الموصلات النانوية عن طريق لمس سطحها بمسبار ميكانيكي شديد الحساسية.

قال المؤلف الرئيسي للدراسة سيبل إيبرو يالسين ، عالم الأبحاث في معهد العلوم الميكروبية بجامعة ييل ،: "إنها تشبه قراءة طريقة برايل ،لكن النتوءات هي جزء من المليار من المتر".

اما التقنية الثانية ، المسماة بالأشعة تحت الحمراء nanospectroscopy ، حدد الباحثون جزيئات معينة في الموصلات النانوية بناءً علىالطريقة التي نثروا بها ضوء الأشعة تحت الحمراء. قال يالتشين إنه باستخدام هاتين الطريقتين ، رأى الباحثون "بصمة فريدة" لكل حمضأميني في البروتينات التي تشكل الموصلات النانوية المميزة لـ Geobacter.

وجد الفريق أنه عند تحفيزها بواسطة مجال كهربائي ، تنتج Geobacter نوعًا غير معروف سابقًا من الموصلات النانوية المصنوعة من بروتينيسمى OmcZ.

يتكون هذا البروتين من كتل بناء معدنية صغيرة تسمى Hemes ، ويخلق موصلات نانوية توصل الكهرباء بشكل أكثر كفاءة 1000 مرة منالموصلات النانوية النموذجية التي تنتجها Geobacter في التربة ، مما يسمح للميكروبات بإرسال الإلكترونات عبر مسافات غير مسبوقة.

قال مالفانكار إنه كان معروفاً أن البكتيريا يمكنها إنتاج الكهرباء ، لكن لم يكن أحد يعرف التركيب الجزيئي ، وأخيراً وجدنا هذا الجزيء.

بطاريات حية ، تنفس

يستخدم الباحثون مستعمرات Geobacter لتشغيل الإلكترونيات الصغيرة لأكثر من عقد من الزمان. ومن المزايا الكبيرة لما يسمى بخلاياالوقود الميكروبية طول عمرها.

يمكن للبكتيريا إصلاح نفسها وإعادة إنتاجها تقريبًا إلى أجل غير مسمى ، مما ينتج عنه شحنة كهربائية صغيرة ولكنها ثابتة ؛ في إحدىتجارب البحرية الأمريكية ، التي أجريت في عام 2008 ، استخدم الباحثون خلية وقود Geobacter لتشغيل عوامة طقس صغيرة في نهربوتوماك بواشنطن العاصمة لأكثر من تسعة أشهر دون إظهار أي علامات على ضعفها.

ومع ذلك ، فإن الشحنة التي توفرها خلايا الوقود هذه صغيرة للغاية (تعمل عوامة البحرية بحوالي 36 ملي واط ، أو جزء من ألف واط ، منالطاقة) ، مما يحد بشدة من أنواع الإلكترونيات التي يمكنها تشغيلها.

مع هذا البحث الجديد ، يعرف العلماء الآن كيفية التعامل مع الأسلاك النانوية الميكروبية لجعلها أقوى وأكثر قدرة على التوصيل. قالمالفانكار إن هذه المعلومات يمكن أن تجعل إنتاج الإلكترونيات الحيوية أرخص وأسهل على حد سواء ، ونأمل أن تكون إيذانًا بجيل جديد من البطاريات الصديقة للبيئة التي تعمل بالبكتيريا.

ما زلنا بعيدين عن شحن أجهزة iPhone الخاصة بنا باستخدام حفنة من Geobacter ، كما أضاف ، لكن قوة الشبكة الكهربائية المجهريةالموجودة تحت اقدامنا في التربة أصبحت أسهل قليلاً للفهم.https://www.sciencealert.com/bacteria-in-mud-breathe-through-giant-snorkels-that-conduct-electricity