Νέα μορφή ζωής που «τρέφεται με ηλεκτρόνια». New Life Found That Lives Off Electricity

Οι επιστήμονες κατανόησαν τον τρόπο με τον οποίο μικρόβια απορροφούν ενέργεια από πετρώματα – Αυτές οι μορφές ζωής ίσως είναι πιο διαδεδομένες απ’ ότι νομίζαμε μέχρι τώρα. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν ηλεκτρόδια από ανθρακόνημα (γκρι) ως δόλωμα μικροβίων που τρέφονται με «ηλεκτρισμό» (πορτοκαλί). Scientists have figured out how microbes can suck energy from rocks. Such life-forms might be more widespread than anyone anticipated. Scientists use carbon-fiber electrodes (gray) to lure electricity-eating microbes (orange). These microbes grow incredibly slowly, so attracting them can take time. Researchers left this electrode underground for five months. Credit: Yamini Jangir and Moh El-Naggar

Οι βιοφυσικοί Moh El-Nagga και Yamini Jangir κατέβηκαν σ’ ένα παλιό ορυχείο χρυσού των Mαύρων Λόφων στη Νότια Ντακότα, όπου φιλοξενείται ένας ανιχνευτής σκοτεινής ύλης, όχι για την αναζήτηση σωματιδίων αλλά για την αναζήτηση ζωής. Ψάχνουν μικρόβια που «τρέφονται με ηλεκτρισμό», μια κατηγορία οργανισμών που οι επιστήμονες μόλις τώρα άρχισαν να κατανοούν.

Geobacter metallireducens takes electrons from chemicals (Credit: Derek Lovley/Science Photo Library)

Αυτοί οι μικροβιακοί οργανισμοί ζουν σε ανεξερεύνητα μέρη: σε βαθιά υπόγεια πηγάδια, κάτω από την επιφάνεια της γης εκεί όπου υπάρχουν πλούσιες φλέβες μετάλλων, στα ιζήματα στα βάθη των ωκεανών μερικές ίντσες κάτω από τον θαλάσσιο πυθμένα. Αντιπροσωπεύουν ένα είδος ζωής που δεν είχε ερευνηθεί αρκετά, αφενός μεν διότι ζουν σε εξωτικούς  βιότοπους και αφετέρου είναι πολύ δύσκολο να αναπτυχθούν στο εργαστήριο.

Μια πρόσφατη δειγματοληψία μικροβίων από τον θαλάσσιο πυθμένα κοντά στο νησί Σάντα Καταλίνα, ανοικτά των ακτών της Νότιας Καλιφόρνιας, ανακάλυψαν μια εκπληκτική ποικιλία μικροβίων που καταναλώνουν ή αποβάλλουν ηλεκτρόνια τρώγοντας ή αναπνέοντας ορυκτά ή μέταλλα. Η ερευνητική ομάδα του El-Naggar δεν έχει ολοκληρώσει ακόμα την ανάλυση των δεδομένων που συνέλλεξε στο ορυχείο χρυσού, αλλά τα πρώτα αποτελέσματα δείχνουν να συμφωνούν με την έρευνα στο νησί Καταλίνα. Οι οργανισμοί που «τρώνε» ηλεκτρόνια  βρίσκονται σε μέρη όπου υπάρχουν αρκετά ορυκτά αλλά όχι πολύ οξυγόνο.

Οι επιστήμονες αρχίζουν πλέον να καταλαβαίνουν πως ακριβώς λειτουργούν αυτοί οι περίεργοι οργανισμοί. Πώς καταναλώνει ηλεκτρόνια ένα μικρόβιο από ένα κομμάτι μέταλλο, ή αποθέτει πίσω στο περιβάλλον όταν δεν τα «χρειάζεται» πλέον; Μια μελέτη που δημοσιεύθηκε πέρυσι έδειξε τον τρόπο με τον οποίο τέτοιου είδους μικρόβια καταναλώνουν την ηλεκτρική λεία τους. Αλλά δεν έχουν ακόμη δημοσιευθεί εργασίες που να αποδεικνύουν ότι μερικοί καταναλωτές ηλεκτρονίων μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια απευθείας διαμέσου των μεμβρανών τους – μια διαδικασία που μέχρι τώρα θεωρούνταν αδύνατη.

Τρώγοντας πέτρες

Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazine

Παρότι η κατανάλωση ηλεκτρικού φορτίου από ζωντανούς οργανισμούς ακούγεται παράξενα, η ροή του ρεύματος είναι κεντρικής σημασίας για τη ζωή. Όλοι οι οργανισμοί απαιτούν μια πηγή ηλεκτρονίων για να δημιουργούν και να αποθηκεύουν ενέργεια. Ο βραβευμένος με Νόμπελ φυσιολόγος Albert Szent-Györgyi είχε πει κάποτε: «Η ζωή δεν είναι τίποτε άλλο παρά ένα ηλεκτρόνιο που ψάχνει ένα μέρος για να ξεκουραστεί.»

Electricity is the source of power for all life (Credit: B.A.E. Inc/Alamy)

Η οξειδοαναγωγή είναι μια από τις βασικότερες κατηγορίες χημικών αντιδράσεων. Χαρακτηρίζεται από τη μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ των αντιδρώντων ουσιών. Οξείδωση ονομάζεται η αποβολή ηλεκτρονίων και αναγωγή η πρόσληψη ηλεκτρονίων. Η αναπνοή των αερόβιων οργανισμών, η καύση, οι βασικές μεταλλουργικές διεργασίες, η διάβρωση των μετάλλων, τα γαλβανικά στοιχεία (μπαταρίες) και πολλά άλλα είναι στην ουσία αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Τελικά μάλλον υπάρχουν και μικροοργανισμοί που προσλαμβάνουν ή αποβάλλουν «σκέτα» ηλεκτρόνια.

Οι άνθρωποι και πολλοί άλλοι οργανισμοί παίρνουν ηλεκτρόνια από τα τρόφιμα και τα αποβάλλουν με την διαδικασία της αναπνοής. Τα μικρόβια που μελετά η ομάδα του El-Naggar ονομάζονται λιθοαυτότροφα ή καταναλωτές πετρωμάτων, που συλλέγουν ενέργεια από ανόργανες ουσίες, όπως σίδηρος, θείο ή μαγγάνιο. Κάτω από κατάλληλες συνθήκες, μπορούν να επιβιώσουν μόνο με ηλεκτρική ενέργεια.

Η φαινομενική ικανότητα των μικροβίων να τρώνε ηλεκτρόνια  – άμεση μεταφορά ηλεκτρονίων στο εσωτερικό τους – είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα επειδή φαίνεται να αψηφά τους βασικούς κανόνες της βιοφυσικής. Οι λιπαρές μεμβράνες που περικλείουν τα κύτταρα δρουν ως μονωτές, δημιουργώντας μια ηλεκτρικά ουδέτερη ζώνη, που κάποτε εθεωρείτο αδύνατο για ένα ηλεκτρόνιο να την διασχίσει. «Κανείς δεν ήθελε να πιστέψει ότι ένα βακτήριο, θα λάβει ένα ηλεκτρόνιο από το εσωτερικό του κυττάρου και θα το μετακινήσει προς τα έξω», δήλωνε πέρυσι ο Kenneth Nealson, ένα γεωβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνιας, σε μια διάλεξή του στο Λονδίνο.

Στη δεκαετία του 1980, ο Nealson και άλλοι ανακάλυψαν μια εντυπωσιακή ομάδα βακτηρίων που μπορούν να αποβάλουν ηλεκτρόνια απευθείας σε στερεά ορυκτά. Φτάσαμε μέχρι το 2006 για να αποκαλυφθεί ο μοριακός μηχανισμός πίσω από αυτό το επίτευγμα: Μια τριάδα εξειδικευμένων πρωτεϊνών που βρίσκονται στην κυτταρική μεμβράνη, σχηματίζουν μια αγώγιμη γέφυρα που μεταφέρει τα ηλεκτρόνια προς το εξωτερικό του κυττάρου. (Οι επιστήμονες εξακολουθούν να διαφωνούν για το αν τα ηλεκτρόνια διασχίζουν ολόκληρη την απόσταση της μεμβράνης χωρίς συνοδεία.)

Εμπνευσμένοι από τους δότες-ηλεκτρονίων, οι επιστήμονες άρχισαν να αναρωτιούνται κατά πόσον τα μικρόβια θα μπορούσαν επίσης να κάνουν το αντίθετο και να «καταπίνουν» τα ηλεκτρόνια ως πηγή ενέργειας. Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν στην αναζήτηση μιας ομάδας μικροβίων που ονομάζονται μεθανογόνα, τα οποία είναι γνωστά για την παραγωγή μεθανίου. Τα περισσότερα μεθανογόνα δεν είναι αυστηρά καταναλωτές μετάλλων. Αλλά το 2009, ο Bruce Logan και οι συνεργάτες του, έδειξαν για πρώτη φορά ότι ένα μεθανογόνο θα μπορούσε να επιβιώσει χρησιμοποιώντας μόνο την ενέργεια από ένα ηλεκτρόδιο. Οι ερευνητές πρότειναν ότι τα μικρόβια μπορούσαν άμεσα να προσλάβουν ηλεκτρόνια, ίσως μέσω μιας μοριακής γέφυρας παρόμοια με αυτή που οι παραγωγοί-ηλεκτρονίων χρησιμοποιούν για να μεταφέρουν ηλεκτρόνια κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης. Αλλά δεν είχαν μια άμεση απόδειξη.

Το περασμένο έτος, ο Alfred Spormann και οι συνεργάτες ανακάλυψαν έναν τρόπο που αυτοί οι οργανισμοί μπορούν να επιβιώσουν σε ηλεκτρόδια χωρίς να τρέφονται με γυμνά ηλεκτρόνια.

Το μικρόβιο του Spormann (ονομάζεται Methanococcus maripaludis), εκκρίνει ένα ένζυμο που κάθεται στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Το ένζυμο ζευγαρώνει ένα ηλεκτρόνιο από το ηλεκτρόδιο με ένα πρωτόνιο από το νερό για να δημιουργηθεί ένα άτομο υδρογόνου, το οποίο αποτελεί μια καλή πηγή τροφής των μεθανογόνων. Σύμφωνα με τον Daniel Bond, μικροβιολόγο του πανεπιστημίου της Μινεσότα: «Αντί να έχουν ένα αγώγιμο μονοπάτι, χρησιμοποιούν ένα ένζυμο. Δεν χρειάζεται να χτίσουν μια γέφυρα από αγώγιμα υλικά.»

Αν και τα μικρόβια δεν τρώνε τα ηλεκτρόνια μόνα τους, τα αποτελέσματα είναι εκπληκτικά. Τα περισσότερα ένζυμα λειτουργούν καλύτερα μέσα στο κύτταρο και πολύ γρήγορα αποικοδομούνται έξω απ αυτό.

Σύμφωνα με τον Spormann: «Αυτό που είναι μοναδικό είναι το πόσο σταθερά είναι τα ένζυμα όταν συγκεντρωθούν στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Παλαιότερα πειράματα έδειχναν ότι αυτά τα ένζυμα είναι ενεργά έξω από το κύτταρο μόνο για λίγες ώρες, αλλά αποδείξαμε ότι είναι ενεργά για έξι εβδομάδες».

Ο Spormann και άλλοι εξακολουθούν να πιστεύουν ότι τα μεθανογόνα και άλλα μικρόβια μπορούν να προσλαμβάνουν απευθείας ηλεκτρόνια. «Είναι ένας εναλλακτικός μηχανισμός για την άμεση μεταφορά ηλεκτρονίων, αλλά αυτό δεν σημαίνει πως η άμεση μεταφορά ηλεκτρονίων δεν μπορεί να υπάρξει», δήλωσε ο Largus Angenent, ένας μηχανικός περιβάλλοντος  στο πανεπιστήμιο του Cornell και πρόεδρος της Διεθνούς Εταιρείας Μικροβιακής Ηλεκτροχημείας και Τεχνολογίας. Ο Spormann είπε ότι η ομάδα του έχει ήδη βρει ένα μικρόβιο ικανό να συλλάβει σκέτα ηλεκτρόνια. Αλλά δεν έχουν δημοσιεύσει ακόμη τις λεπτομέρειες.

Μικρόβια στον Άρη

Yamini Jangir, then a graduate student in Moh El-Naggar’s lab at the University of Southern California, collects water from a pipe at the Sanford Underground Research Facility nearly a mile underground. Credit: Connie A. Walter and Matt Kapust

Μόνο ένα μικρό κλάσμα – ίσως το 2 τοις εκατό –από όλους τους μικροοργανισμούς του πλανήτη μπορεί να καλλιεργηθεί στο εργαστήριο. Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι οι νέες αυτές προσεγγίσεις – καλλιέργεια μικροβίων σε ηλεκτρόδια και όχι στα παραδοσιακά συστήματα καλλιέργειας – θα αναδείξει μια νέα μέθοδο μελέτης πολλών μικροβίων που μέχρι τώρα ήταν αδύνατον να καλλιεργηθούν στο εργαστήριο.

«Χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια ως αντικαταστάτες των ορυκτών καταφέραμε να ανοίξουμε και να επεκτείνουμε αυτό το πεδίο», δήλωσε η Annette Rowe, μια μεταδιδακτορική ερευνήτρια που συνεργάζεται με τον El-Naggar. «Τώρα έχουμε μια μέθοδο καλλιέργειας αυτών των βακτηρίων ώστε να παρακολουθείται η αναπνοή τους και η φυσιολογία τους.»

Το 2013 η Rowe αναζήτησε μικρόβια στο βυθό του νησιού Καταλίνα της Καλιφόρνιας σε ένα περιβάλλον πλούσιο σε σίδηρο. Είχε ήδη εντοπίσει τουλάχιστον 30 νέες ποικιλίες των «ηλεκτρικών» μικροβίων, όπως ανακοίνωσε σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε το περασμένο έτος. Όπως δήλωσε η ίδια: «Είναι από πολύ διαφορετικές ομάδες μικροβίων που είναι αρκετά συχνές σε θαλάσσια συστήματα». Πριν από το πείραμα της, κανείς δεν γνώριζε ότι αυτά τα μικρόβια θα μπορούσαν να προσλάβουν ηλεκτρόνια από ένα ανόργανο υπόστρωμα. «Αυτό είναι κάτι που δεν περιμέναμε».

Ακριβώς όπως οι ψαράδες χρησιμοποιούν διαφορετικά δολώματα για να προσελκύσουν διαφορετικά είδη ψαριών, η Rowe χρησιμοποίησε ηλεκτρόδια με διαφορετικές τάσεις ως πόλο έλξης μια πλούσιας ποικιλίας μικροβίων.

Αντιλαμβανόταν την ύπαρξη των μικροβίων από την μεταβολή του ρεύματος – οι καταναλωτές μετάλλων δημιουργούσαν ηλεκτρικό ρεύμα, καθώς τα μικρόβια απορροφούσαν τα ηλεκτρόνια από το αρνητικό ηλεκτρόδιο.

Οι διαφορετικές ποικιλίες των βακτηρίων που συλλέχθηκαν από την Rowe ευδοκιμούν κάτω από διαφορετικές ηλεκτρικές συνθήκες, γεγονός που δείχνει ότι χρησιμοποιούν διαφορετικούς τρόπους κατανάλωσης ηλεκτρονίων. Κάθε βακτήριο είχε ένα διαφορετικό ενεργειακό επίπεδο, στο οποίο άρχιζε η κατανάλωση των ηλεκτρονίων. Σύμφωνα με την Rowe, αυτό είναι ενδεικτικό των διαφορετικών τρόπων κατανάλωσης.

Η Rowe ερευνά τώρα νέα περιβάλλοντα για επιπλέον είδη μικροβίων, εστιάζοντας σε υγρά από μια βαθιά πηγή με χαμηλή οξύτητα. Βοηθά επίσης την αποστολή στο ορυχείο χρυσού του El-Naggar. Σύμφωνα με τον El-Naggar: «Προσπαθούμε να καταλάβουμε πώς λειτουργεί η ζωή κάτω από αυτές τις συνθήκες. Πλέον, γνωρίζουμε ότι υπάρχει ζωή σε αφθονία σε πολύ μεγαλύτερα βάθη από ό,τι νομίζαμε, αλλά δεν έχουμε ακόμα κατανοήσει τον τρόπο επιβίωσης».

Ο El-Naggar τονίζει πως το πεδίο είναι ακόμα στα σπάργανα, παρομοιάζοντας την τρέχουσα κατάσταση με τις πρώτες ημέρες της νευροεπιστήμης, όταν οι ερευνητές τοποθετούσαν ηλεκτρόδια σε βατράχους για να προκαλέσουν συσπάσεις των μυών τους. Έχουν περάσει μόνο 30 χρόνια από τότε που ανακαλύψαμε ότι τα μικρόβια αλληλεπιδρούν με στερεές επιφάνειες.

Bacteria can live on minerals such as magnetite (Credit: imageBROKER/Alamy)

Με δεδομένη την επιτυχία αυτών των πρώτων πειραμάτων, φαίνεται ότι οι επιστήμονες έχουν διεισδύσει ελάχιστα στην μικροβιακή ποικιλότητα που ευδοκιμεί στα βάθη του πλανήτη. Η εξέλιξη αυτής της έρευνας θα βοηθήσει στην ερμηνεία της προέλευσης της ζωής στη Γη ή και σε άλλους πλανήτες. Μία από τις θεωρίες για την προέλευση της ζωής υποστηρίζει ότι η ζωή εμφανίστηκε στις επιφάνειες ορυκτών, εκεί όπου μπορούν να συνδεθούν βιολογικά μόρια και να καταλυθούν χημικές αντιδράσεις. Η νέα έρευνα θα μπορούσε να καλύψει ένα από τα κενά αυτής της θεωρίας – τον μηχανισμό για τη μεταφορά ηλεκτρονίων από τις ορυκτές επιφάνειες στο εσωτερικό των κυττάρων.

Επιπλέον, οι καταναλωτές στις επιφάνειες των μετάλλων μπορούν να αποτελέσουν ένα υπόδειγμα για την εξωγήινη ζωή, όπου μικροβιακοί οργανισμοί μπορεί να κρύβονται κάτω από την επιφάνεια ενός πλανήτη.

«Για μένα, μια από τις πιο συναρπαστικές δυνατότητες είναι η ανακάλυψη μορφών ζωής που θα μπορούσαν να επιβιώνουν σε ακραία περιβάλλοντα, όπως στον Άρης», δηλώνει ο El-Naggar, του οποίου το πείραμα στο ορυχείο χρυσού χρηματοδοτείται από το Ινστιτούτου Αστροβιολογίας της NASA. «Ο Άρης, για παράδειγμα, είναι πλούσιος σε σίδηρο και έχει νερό κάτω από την επιφάνεια του. Αν έχετε ένα σύστημα που μπορεί να πάρει ηλεκτρόνια από σίδηρο και διαθέτει κάποιες ποσότητες νερού, τότε έχετε όλα τα συστατικά για ένα πιθανό μεταβολισμό.»

Ίσως ένα υπόγειο πρώην ορυχείο χρυσού στη Νότια Ντακότα, να μην είναι και το πιο περίεργο μέρος όπου οι ερευνητές θα βρουν ζωή που τρέφεται με ηλεκτρόνια.

Πηγή: New Life Found That Lives Off Electricity