Повече от десетилетие учените знаят, че съществуват странни бактерии, обитаващи водна кал, които могат да провеждат електричество на разстояния хиляди пъти по-дълги от една бактериална клетка. Такава електрическа проводимост на дълги разстояния би трябвало да е изключително трудна за жив организъм, а как те постигат това, остава дълго биологична загадка.
Сега изследователите казват, че са открили как действат "проводниците". Вътре в така наречените кабелни бактерии, учените откриват сложна мрежа от богати на никел наноленти, подредени в нещо, наподобяващо естествено отгледан многожилен електрически кабел.
Структурата е различна от конвенционалните механизми, които биологията обикновено използва за преместване на електрони, и може да представлява първия известен пример за метало-органична структура, произведена от жив организъм.
Кабелни бактерии
Това, което най-много изненадва водещия автор на изследването д-р Филип Мейсман (Filip Meysman), професор в университета в Антверпен в Белгия, не е колко извънземна изглежда структурата, а колко позната му е тя.
"Усещането бе много познато: оплетена тел, състояща се от тънки отделни проводници, обградени от защитен слой", разказва пред The Debrief Мейсман. "Това е много подобно на захранващите кабели, които използваме за зареждане на смартфоните си, само че бактериалната версия на кабела е 20 000 пъти по-малка по размер. Еволюцията е измислила този дизайн 600 милиона години по-рано от електроинженерите."
Сравнението на Мейсман не е просто риторично. Оценките на молекулярния часовник показват, че линията на кабелните бактерии може да се е разделила преди около 560 милиона години, въпреки че кога са се развили техните необичайни електрически способности, все още не е известно.
Публикувано в Nature Communications, откритията биха могли евентуално да предоставят на изследователите биологичен план за създаване на гъвкава, биоразградима електроника, която организмите ефективно да произвеждат сами.
За първи път кабелните бактерии привличат научното внимание заради изключителната си способност да преместват електрони на разстояния от порядъка на сантиметри. Многоклетъчните организми живеят в седименти, където различните слоеве предлагат различни химически ресурси. Клетките, заровени по-дълбоко, могат да събират електрони от сулфид, докато клетките, по-близо до богата на кислород вода, ги изхвърлят.
Резултатът е организъм, който успешно разделя части от метаболизма си в пространството, като по свързващото ги влакно преминава електрически ток.
В крайна сметка учените са идентифицирали десетки паралелни влакна, преминаващи през външните слоеве на бактериите, които са вероятни електрически пътища. По-късни измервания показват проводимост, достигаща нива, необичайни за който и да е биологичен материал, а в някои експерименти - сравними с тези в материалите, използвани в електронните мастила. Новото проучване отбелязва, че преди това са докладвани стойности на проводимост, достигащи до 500 сименса на сантиметър.
Но да се знае къде минава токът не е същото като да се знае как го прави.
Биоелектронна верига като по многожилен кабел
Повечето процеси на биологично провеждане на електрони се осъществя с участието на протеини с металосъдържащи кофактори, обикновено желязосъдържащи структури като хемове или желязо-серни клъстери. Електроните обикновено се движат между тези места в поредица от молекулярни трансфери, често описвани с термина "хопинг" или "прескачане".
Предишни изследвания показват, че кабелните бактерии не се вписват точно в този модел. Техните проводими влакна са свързани с никело-серни съединения, а не с обичайните железни кофактори. В същото време теоретичната работа предполага, че движението на електроните е твърде бързо, за да се обясни само с конвенционално неадиабатно (повърхностно) прескачане.
Загадката се задълбочава през 2024 г., когато някои от изследователите изучават кабелните бактерии при температури, приближаващи се до тези на течния хелий, и откриват, че електрическото им поведение съответства на необичайно ефективен многостъпков прескачащ механизъм. Но даже тези данни не са достатъчни да се обясни толкова високата проводимост в рамките на стандартните модели, предполагащи само прескоци на електрони между изолирани молекулярни центрове.
Новите данни за структурата на тези образувания могат да хвърлят светлина на причините за това явление.
Вместо серия от малки, отделни метални кофактори, изследователите вече са открили разширена никел-органична структура, преминаваща през проводимите влакна.
Използвайки електронна микроскопия, рентгенова флуоресценция, Раманова спектроскопия, електронен парамагнитен резонанс, рентгенова абсорбционна спектроскопия и компютърно моделиране, екипът установява, че всяко проводимо влакно съдържа приблизително 11 изключително тънки наноленти, с диаметър около 1,4 нанометра.
a Изображение на интензитета на парче от влакнест скелет с 2 успоредни влакна, разкриващо вълнообразни, електронно-плътни канали (наноленти). Мащабна лента: 100 nm. HAADF-STEM-EDX изображения на парче от влакнест скелет с 4 влакна. Мащабни ленти: b 500 nm, c 400 nm, d 400 nm. e – g HAADF-STEM-EDX изображения на единично влакно, показващи преплетени наноленти в центъра. Мащабни ленти: 50 nm. Показаните елементи са обозначени на картите. h Профил на линейно сканиране на никел, сяра и азот, разкриващ колокализацията на Ni и S в центъра на влакната (пълната ширина на половин максимум на пиковете Ni и S съвпада, но е по-малка от тази на пика N). Профилите са нормализирани за яснота (au = произволни единици). i Ортогонална регресия на съдържанието на Ni и S (% атоми) по протежение на насоченото линейно сканиране, показано в (b). Кредит: Nat Commun 17, 8814 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-76989-0
Тези ленти преминават през центъра на влакното и са изградени от повтарящи се никелови бис-дитиоленови комплекси, (NiBiD). Никеловите атоми са свързани чрез съдържащи сяра органични молекули, създавайки плоски структурните единици, които изглежда се подреждат в дълъг, силно подреден електрически път.
Тази подредба може да обясни изключителната проводимост. Вместо електроните просто да прескачат между изолирани метални центрове, подредената структура осигурява интензивно електронно взаимодействие и делокализация, позволявайки на заряда да се разпространява през припокриващи се молекулярни мрежи. В този смисъл бактериалният "проводник" започва да прилича повече на органичен електронен материал, отколкото на обикновената биологична верига за пренос на електрони.
Подредбата изглежда механично добре пригодена за начина на живот на бактериите.
Кабелните бактерии се движат през наноси и могат да се огъват рязко, запазвайки електрическия контакт между клетките. Една единствена твърда проводяща нишка би могла лесно да се повреди. Но множество преплетени наноленти напомнят по-скоро многожилна медна тел, те осигуряват здравина, гъвкавост и едновременно с това надежност за сметка на дублиранията на функциите.
Откритието изглежда също така разширява представите на учените за това какви структури са способни да създават живите организми.
Перспективи за използването на открития механизъм
Металоорганичните рамки или MOF (Metal-organic framework) са структури, в които органичните молекули свързват металните центрове в по-големи мрежи. Химиците вече от години ги разработват за най-различни приложения, вариращи от съхранение на газове и разделяне на химически вещества до катализа и електроника.
Досега, казват изследователите, никой не е наблюдавал метало-органична рамкова конфигурация, естествено изградена вътре в жив организъм. Изглежда, че кабелните бактерии са стигнали до идеята сами и тази естествена версия изглежда провежда електричество изключително добре.
Предишни измервания на електрическата проводимост на кабелни бактерии са използвали цялото напречно сечение на техните проводими влакна. Но новото структурно изследване показва, че токът е концентриран в много по-малка мрежа от наноленти.
Преизчислявайки проводимостта въз основа на приблизителните размери на тези проводими канали, изследователите установяват, че отделна нанолента може да има проводимост от приблизително 150 до 15 000 сименса на сантиметър.
Този диапазон според изследователите е сред най-високите, докладвани за която и да е металоорганична структура. Горната цифра обаче остава приблизителна, а не директно измерване на единична нанолента.
"Трябва да можем да изолираме отделните наноленти от кабелните бактерии и да ги свържем електрически с електроди", обясниява д-р Мейсман. "Това би осигурило директно доказателство за високата проводимост. В момента работим върху такива наномащабни електрически измервания."
Това би позволило на изследователите да определят дали извънредната проводимост, предсказана за отделна нанолента, е валидна експериментално.
Ако това се случи, технологичните последици биха могли да се разпростират далеч отвъд разбирането на един необичаен микроб.
Изследователите отдавна се интересуват от биобазирана електроника, защото живите системи могат да произвеждат сложни материали чрез самосглобяване, докато работят при относително меки условия. Биологичните материали могат също да бъдат гъвкави и потенциално биоразградими.
Тяхната слабост обикновено е електрическото им представяне. Кабелните бактерии предполагат, че природата може би е намерила начин да заобиколи този компромис.
Учените все още не знаят точно как кабелните бактерии биосинтезират никел-органичната рамка, а части от архитектурата на нанолентите остават неясни.
Но еволюцията вече е решила един проблем, който учените биха искали да възпроизведат в областта на материалите: как да изградят високопроводим, гъвкав електрически път, до голяма степен от органични компоненти при биологични условия.
Д-р Мейсман посочва, че една особено обещаваща възможност е гъвкавата печатна електроника, при която проводими мастила се отлагат върху повърхности, за да се създадат схеми, сензори и други електронни компоненти.
"Предизвикателството е да се демонстрира, че биоматериалът може да бъде произведен по рентабилен начин", добавя Мейсман, "и че има същите или дори по-добри свойства от използваните в момента материали за електронно мастило", коментира д-р Мейсман.
В крайна сметка, в продължение на стотици милиони години, бактериите, заровени в калта, са отглеждали микроскопични захранващи кабели. А учените едва сега започват да разбират как работят.
Справка: Meysman, F.J.R., Smets, B., Hidalgo-Martinez, S. et al. Highly efficient long-range conduction through a biosynthetic nickel-organic framework. Nat Commun 17, 8814 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-76989-0
Източник: Scientists Discover Bacteria Growing Microscopic “Electrical Wires” With Extraordinary Conductivity, The Debrief.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Произходът на мартеницата трябва да се търси далече - в Индия и Древна Гърция
Откъде идва "химията" на междуличностните връзки?
dolivo
Експериментален руски спътник се разпада в орбита и оставя следи от отломки