میکروسکوپ نشان می دهد که چگونه باکتری های خاک فلزات سمی را تنفس می کنند

محققان در حال مطالعه برخی از باکتری های رایج خاک هستند که فلزات سمی را "دم کرده" و آنها را به شکل غیر سمی "بازدم" می کنند. این باکتری ممکن است روزی برای پاکسازی مواد شیمیایی سمی باقی مانده از تولید تسلیحات هسته‌ای دهه‌ها پیش مورد استفاده قرار گیرد.

با استفاده از ترکیبی منحصر به فرد از میکروسکوپ ها، محققان دانشگاه ایالتی اوهایو و همکارانشان توانستند نگاهی اجمالی داشته باشند که چگونه باکتری Shewanella oneidensis فلز را برای استخراج شیمیایی اکسیژن تجزیه می کند.

این مطالعه که به صورت آنلاین در هفته 16 مارس در ژورنال Applied and Environmental Microbiology منتشر شد، اولین شواهدی را ارائه می دهد که شوانلا پروتئین های درون سلول باکتری را به غشای خارجی آن مانور می دهد تا مستقیماً با فلز تماس پیدا کند.سپس پروتئین‌ها با اکسیدهای فلزی پیوند می‌خورند، که باکتری‌ها به همان روشی که ما اکسیژن را انجام می‌دهیم از آن استفاده می‌کنند.

برایان لور، استادیار دانشکده محیط زیست و منابع طبیعی در ایالت اوهایو، توضیح داد که این فرآیند تنفس نامیده می‌شود و موجودات زنده چگونه انرژی می‌سازند. ما از اکسیژنی که تنفس می کنیم برای آزادسازی انرژی از غذا استفاده می کنیم. اما در طبیعت، باکتری‌ها همیشه به اکسیژن دسترسی ندارند.

لوور گفت: "چه باکتری ها در خاک دفن شده باشند یا در زیر آب، آنها می توانند برای دریافت انرژی مورد نیاز خود به فلزات تکیه کنند." "این یک شکل باستانی تنفس است."

"این نوع تنفس از نقطه نظر تکاملی جذاب است، اما ما همچنین علاقه مندیم که چگونه می توانیم از باکتری ها برای اصلاح ترکیبات بدی مانند اورانیوم، تکنسیوم و کروم استفاده کنیم."

دو مورد آخر محصولات جانبی پلوتونیوم هستند. وزارت انرژی ایالات متحده از این کار حمایت می کند تا روش های جدیدی را برای تصفیه زباله های تولید سلاح های هسته ای در دهه های 1960 و 1970 کشف کند.

لوور توضیح داد که Shewanella به طور طبیعی در خاک وجود دارد و در واقع می تواند در سایت های زباله هسته ای مانند سایت Hanford در ایالت واشنگتن یافت شود.

با دانش بهتری از توانایی‌های این باکتری، دانشمندان ممکن است روزی یک شوانلا را مهندسی کنند که چنین زباله‌هایی را با کارآمدتر اصلاح کند.

"برای مثال، اگر بتوانید توانایی این باکتری در کاهش اورانیوم را با ساختن بیشتر این پروتئین های کلیدی تقویت کنید، شاید یکی از راه های پاکسازی این مکان های آلوده باشد."

خطر در چنین مکان های زباله این است که فلزات سمی محلول هستند و بنابراین می توانند به منبع آب محلی نشت کنند. اما این باکتری ها به طور طبیعی فلزات را به شکل نامحلول تبدیل می کنند. اگرچه فلزات در جای خود باقی می مانند، اما به جای مایعات ناپایدار، جامدات پایدار خواهند بود.

برای این مطالعه، Lower و همکارانش از یک میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) برای آزمایش نحوه واکنش باکتری به هماتیت معدنی فلزی استفاده کردند.

یک AFM تا حدودی شبیه سوزن گرامافون مینیاتوری شده عمل می کند: یک نوک کوچک از یک کنسول بالای سطحی که در حال مطالعه است آویزان می شود. کنسول اندازه گیری می کند که نوک آن چقدر بالا و پایین می رود که روی سطح کشیده می شود. این می تواند ویژگی های کوچکتر از یک نانومتر (میلیاردم متر) را اندازه گیری کند و نیروهای اتمی بین نوک کاوشگر و مواد سطح را تشخیص دهد.

آنها AFM را با یک میکروسکوپ نوری ترکیب کردند تا نقشه دقیقی از محل باکتری روی هماتیت بدست آورند.

اگرچه باکتری ها بسیار کوچک هستند - چند صد هزار از آنها می توانند در انتهای یک جمله جای بگیرند - آنها هنوز هزاران بار بزرگتر از نوک یک کاوشگر AFM هستند. بنابراین، میکروسکوپ قادر به لغزش روی سطح باکتری‌های منفرد بود تا مولکول‌های پروتئین را در سطح سلول و در تماس با فلز تشخیص دهد.

محققان نوک کاوشگر خود را با آنتی بادی هایی برای پروتئین OmcA پوشاندند، که آنها مشکوک بودند که شوانلا از آن برای "تنفس" فلز استفاده می کند.

هر زمان که پروب روی پروتئین OmcA می لغزد، پوشش آنتی بادی به پروتئین می چسبد. با اندازه‌گیری افزایش ناچیز نیروی مورد نیاز برای جدا کردن این دو، محققان می‌توانند بفهمند که پروتئین‌ها در کجای سطح باکتری قرار دارند.

میکروسکوپ OmcA را در اطراف لبه‌های باکتری، هر جا که غشای سلولی با هماتیت تماس می‌گیرد، شناسایی کرد - که نشان می‌دهد این پروتئین واقعاً باکتری‌ها را قادر می‌سازد تا هماتیت را «نفس» کنند. این پروتئین حتی در تراوش ژلاتینی وجود داشت که از باکتری ها تراوش می کرد. لوور گفت که این نشان می‌دهد که شوانلا ممکن است برای به دست آوردن انرژی از بخش وسیع‌تری از فلز نسبت به چیزی که مستقیماً آن را لمس کند، تراوش ایجاد کند.

در آینده، او و شرکایش می خواهند تکنیک میکروسکوپ جدید خود را بر روی انواع دیگر سلول ها آزمایش کنند. آن‌ها همچنین می‌خواهند آزمایش کنند که آیا شوانلا وقتی در معرض اورانیوم و تکنسیم قرار می‌گیرد OmcA روی سطح سلول تولید می‌کند یا خیر.

نویسندگان همکار Lower در روزنامه از Corning, Inc. آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام؛ دانشگاه یوهانس کپلر لینز، اتریش؛ Ecole Polytechnique Fédérale de Lozanne، سوئیس; و دانشگاه اومئو، سوئد.