کشف باکتری‌هایی که برق تنفس می‌کنند!_صبح سریع

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

این کار می‌تواند تبدیل پیشرفت‌های جدیدی در عرصه انرژی پاک و زیست‌فناوری صنعتی شود. این یک استراتژی بقای شگفت‌انگیز است که می‌تواند سامانه‌های زیست‌فناوری و انرژی را منقلب کند.

به نقل از اس‌تی‌دی، پژوهشگران با شناسایی نحوه دفع الکترون‌ها توسط این باکتری‌ها، نگاهی اجمالی به یک استراتژی نهان از زندگی باکتریایی اراعه خواهند داد. این کار که زیست‌شناسی را با الکتروشیمی ادغام می‌کند، عرصه را برای فناوری‌هایی در آینده‌ فراهم می‌کند که از قابلیت‌های بی همتا این موجودات میکروسکوپی منفعت گیری 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 تازه و بالقوه گسترده در طبیعت نیز اشاره دارد.

تنفس الکتریکی

اکثر موجودات مدرن برای متابولیسم غذا و آزاد کردن انرژی به اکسیژن متکی می باشند. اکسیژن به گفتن آخرین پذیرنده الکترون در زنجیره‌ای از عکس العمل‌ها عمل می‌کند که انرژی تشکیل می‌کند، اما باکتری‌ها زیاد قدیمی‌تر از موجودات مدرن همانند انسان و گیاهان می باشند و راه‌های فرد دیگر 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 منفعت گیری می‌کنند. نام این فرآیند «تنفس خارج سلولی»(extracellular respiration) است و همانند به نحوه تخلیه جریان الکتریکی توسط باتری‌ها است. این فرآیند باکتری‌ها را قادر می‌سازد تا بدون اکسیژن رشد کنند.

دانشمندان زمان‌ها است که این حالت غیرمعمول تنفس را مشاهده کرده‌اند و از آن در زیست‌فناوری منفعت گیری کرده‌اند. اکنون، این تیم مکانیسم آن را کشف کرده‌ است و پیشرفت آنها مشخص می کند «تنفس خارج سلولی» امکان پذیر در طبیعت زیاد رایج‌تر از آنچه قبلاً فکر 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» همانند پیک‌های مولکولی عمل می‌کنند و الکترون‌ها را از سلول خارج می‌کنند تا باکتری‌ها بتوانند غذا را تجزیه و انرژی تشکیل کنند.

همانند‌سازی زندگی بدون اکسیژن

دانشمندان با منفعت گیری از همانند‌سازی رایانه‌ای پیشرفته، رشد باکتری‌ها را در محیط‌های فاقد اکسیژن اما غنی از سطوح رسانا همانند‌سازی کردند.

این همانند‌سازی‌ها نشان داد که باکتری‌ها می‌توانند با تخلیه الکترون‌ها به بیرون، خود را نگه داری کنند. آزمایش‌های زیاد تر قبول کرد که باکتری‌های قرار داده شده روی مواد رسانا به رشد خود ادامه خواهند داد و برق تشکیل می‌کنند و عملاً از طریق سطح تنفس می‌کنند.

این رویکرد تبدیل فهمیدن عمیق‌تری از تطبیق‌پذیری متابولیسم باکتریایی شد و یک روش لحظه‌ای برای نظارت و تأثیرگذاری الکترونیکی بر حرکت باکتریایی را آشکار کرد.

کاربردها در فناوری پاک و فراتر از آن

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

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

این فناوری این چنین امکان پذیر جهت گسترش حسگرهای زیست‌الکترونیکی در محیط‌های فاقد اکسیژن شود و ابزارهای جدیدی را برای تشخیص پزشکی، نظارت بر آلودگی و اکتشافات فضایی عمیق اراعه دهد.

این یافته‌ها در مجله Cell انتشار شده‌اند.