Электрический разговор бактерий

Ирина Якутенко

Живое электричество

«Их много, они маленькие, и они — везде» — так начинал курс лекций по микробиологии один из профессоров Московского государственного университета. Размеры бактериальных клеток колеблются в пределах от 0,5 до 5 микрометров (микрометр — одна тысячная миллиметра). При таких скромных габаритах преодоление наших обычных человеческих расстояний для бактерий является серьезным мероприятием. Судите сами: проплыть пару сантиметров для средней бактерии то же самое, что для человека пройти 20 км.

Но в конце февраля в Nature, одном из самых престижных научных журналов, появилась статья, авторы которой обнаружили, что бактерии могут взаимодействовать друг с другом на больших (по бактериальным меркам) расстояниях буквально в считанные секунды. Причем подвижность исследуемых микроорганизмов была ограничена, и физически они никак не могли сблизиться друг с другом.

Необычные микроорганизмы обитают в морских донных отложениях в заливе Орхус-Бугг в Дании. Различные слои отложений кардинально отличаются по своим условиям, в частности по содержанию кислорода: большая часть этого газа поглощается бактериями, населяющими верхние слои. Нижнюю часть отложений занимают микроорганизмы, для которых кислород не является жизненно необходимым веществом. Зато они способны перерабатывать сероводород, токсичный для обитающих выше бактерий (вредный газ образуется в одном из промежуточных слоев). Очевидно, что жителям верхних и нижних «этажей» было бы выгодно наладить общение между собой, однако до недавнего времени ученые не могли доказать, возможно ли это.

Случайная удача

Изначально Ларс Питер Нильсен (Lars Peter Nielsen) и коллеги не собирались изучать взаимодействие бактерий друг с другом. Исследователей интересовали населяющие нижнюю часть отложений микроорганизмы, которые используют сероводород в качестве источника энергии. Специалисты добыли из залива образцы отложений и после завершения опытов оставили колбы с ними на столе. Через несколько месяцев кто-то из команды случайно обратил внимание на необычное свойство образцов: при изменении концентрации кислорода в покрывавшей отложения воде приблизительно через час нижние бескислородные слои начинали опускаться (при увеличении содержания O₂) или подниматься (при удалении из воды кислорода).

Ученые предположили, что перемещения нижних слоев, в которых обитают «питающиеся» сероводородом бактерии, связаны с интенсивностью переработки H₂S. Когда микроорганизмы усваивали мало сероводорода, нижние слои поднимались выше, когда же поглощение газа увеличивалось, слои сдвигались вниз. Измерив значение pH на границе между бескислородными и содержащими кислород слоями, исследователи выяснили, что среда в верхней части отложений становится более щелочной.

Электрический симбиоз

Все эти наблюдения указывали, что изменение концентрации кислорода в омывающей верхнюю часть отложений воде стимулирует протекание неких химических реакций как в верхних, так и в нижних слоях. Реакции начинались очень быстро, поэтому вариант, что их причиной была диффузия какого-либо компонента из верхних слоев к нижним, отпадал. Ученые предположили, что процессы в различных частях отложений связаны друг с другом не химически, а электрически (хотя точнее будет сказать — электрохимически).

Чтобы разобраться, что именно предположили авторы, необходимо более детально описать реакции, протекающие в поднятом со дна датского залива грунте. Бактерии, населяющие верхние слои отложений, способны восстанавливать молекулы кислорода, превращая их в воду. Для этого микроорганизмам необходимо добавить к одной молекуле кислорода четыре протона и четыре электрона. Это превращение сопрягается еще с несколькими реакциями, и его конечным итогом является накопление энергии.

Для бактерий, живущих в нижних слоях отложений, кислород является ядом. Они получают энергию, окисляя сероводород и превращая его в серу или сульфат-ионы. Другими продуктами этой реакции являются протоны и электроны.

Теперь вернемся к электричеству. Согласно определению, ток — это направленное движение заряженных частиц. В данном случае движущимися заряженными частицами являются электроны (точно так же, как в обычных проводах). Бактериям из верхних слоев отложений для восстановления кислорода необходимы лишние электроны, которые очень удачно образуются в реакции превращения (а точнее — окисления) сероводорода. И именно эти электроны путешествуют из нижних слоев в верхние. С другой стороны, кислород помогает бактериям из нижних слоев эффективнее окислять сероводород. Но прямо использовать его они не могут, поэтому организуют электрохимическое сопряжение с обитателями верхних этажей.

Фактически это сопряжение позволяет двум различным и к тому же разделенным в пространстве организмам вместе осуществлять один процесс — окислять сероводород при помощи кислорода. Этот процесс выгоден обоим его участникам, но проводить его поодиночке они не могут.

Окисление какого-либо субстрата при помощи кислорода называется дыханием (иногда, чтобы избежать путаницы, говорят «клеточное дыхание»). Обычно кислород и субстрат, дающий электроны для его восстановления, находятся в одной клетке. Можно сказать, что субстрат — это «пища», а кислород — прибор для ее употребления. В данном случае получается, что бактерии, живущие в верхних слоях отложений, дышат за себя и за своих нижних соседей, а те в свою очередь поглощают двойную порцию «пищи» — за себя и обитателей верхних этажей.

Исследователи полагают, что обнаруженный ими «канал» передачи электронов может работать не только для совместного окисления сероводорода. Ученые оценили, что передаваемых по цепям электронов с лихвой хватает на переработку всего H₂S и еще немало остается. Избыток электронов вполне может использоваться для стимулирования каких-либо еще реакций.

Хорошо забытое старое

Идея о существовании такой электрической проводки в живых системах впервые была сформулирована еще в 60-е годы прошлого века, однако тогда она не была воспринята серьезно. Работа Нильсена и коллег дает серьезные доводы в пользу правомерности подобной гипотезы. Механизм транспорта электронов пока не ясен. Вероятнее всего, элементарные частицы перемещаются при помощи особых белков, встроенных во внешние мембраны бактерий. Не исключено, что бактериальные клетки соединяются друг с другом в сети длинными тонкими выростами — своеобразными нанопроводами. Наконец, транспорт электронов может осуществляться при помощи пирита -минерала, входящего в состав донных отложений и являющегося хорошим проводником тока. Вполне вероятно, что бактерии одновременно используют несколько механизмов.

Многие коллеги авторов новой работы уже назвали ее результаты «выдающимися» и «потрясающими». Восторг ученых можно понять: если данные Нильсена и его команды подтвердятся, это будет означать открытие совершенно нового типа взаимодействий между бактериями. В живой природе, а особенно в случае бактерий, очень часто выполняется правило: «если что-то теоретически возможно и выгодно, то, скорее всего, оно где-то уже используется». Поэтому у новой работы отличные шансы войти в учебники.

Ирина Якутенко

www.nature.com/nature/journal/v463/n7284/abs/nature08790.html