Бактерии открывают скрытые способности передачи электричества

Инкубации D. acetexigens с оксидами железа в качестве единственного акцептора электронов для роста. Автор: The ISME Journal (2025). DOI: 10.1093/ismejo/wraf097

Микробы — мастера выживания, они эволюционировали изобретательные стратегии для получения энергии из окружающей среды. Десятилетиями ученые полагали, что лишь горстка бактерий использует специализированные молекулярные «цепи» для переноса электронов за пределы своих клеток — процесс, известный как внеклеточный перенос электронов (EET). Этот механизм критически важен для круговорота углерода, серы, азота и металлов в природе, а также лежит в основе применений — от очистки сточных вод до биоэнергетики и материалов для биоэлектроники.

Теперь исследователи из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) обнаружили, что эта удивительная способность гораздо более универсальна и распространена, чем считалось ранее. Статья опубликована в журнале The ISME Journal.

Работая с бактерией Desulfuromonas acetexigens, способной генерировать высокие электрические токи, команда объединила биоэлектрохимию, геномику, транскриптомику и протеомику, чтобы картировать её механизм переноса электронов. К их удивлению, D. acetexigens одновременно активировала три различных пути переноса электронов, которые ранее считались эволюционно развившимися отдельно у неродственных микробов: системы металлоредукции (Mtr), цитохрома внешней мембраны (Omc) и порин-цитохрома (Pcc).

«Это первый случай, когда мы видим, как отдельный организм экспрессирует эти филогенетически удаленные пути параллельно, — говорит первый автор Дарио Ранхель Шоу. — Это бросает вызов давнему представлению о том, что эти системы были эксклюзивны для конкретных групп микробов».

Команда также идентифицировала необычно крупные цитохромы, включая один с рекордными 86 гем-связывающими мотивами, что может обеспечивать исключительную способность к переносу и хранению электронов. Тесты показали, что бактерия может направлять электроны непосредственно к электродам и природным минералам железа, достигая плотностей тока, сравнимых с модельным видом Geobacter sulfurreducens.

Расширив анализ на общедоступные геномы, исследователи идентифицировали более 40 видов Desulfobacterota, несущих сходные многопутевые системы в различных средах — от осадков и почв до сточных вод и гидротермальных источников.

«Это раскрывает непризнанную ранее универсальность в микробном дыхании, — объясняет соавтор исследования Кришна Катури. — Микробы с множественными путями переноса электронов могут получать конкурентное преимущество, используя более широкий спектр акцепторов электронов в природе».

Последствия выходят далеко за рамки экологии. Использование бактерий, способных применять множественные стратегии переноса электронов, может ускорить инновации в биоремедиации, очистке сточных вод, производстве биоэнергии и биоэлектронике. Например, электроактивные биопленки, подобные тем, что формирует D. acetexigens, могут помочь извлекать энергию из отходов, одновременно очищая их от загрязнителей.

«Наши находки расширяют известное разнообразие белков переноса электронов и подчеркивают неиспользованные микробные ресурсы, — добавляет Паскаль Сайкали, руководивший исследованием. — Это открывает дверь для проектирования более эффективных микробных систем для устойчивых биотехнологий».

По мере того как исследователи углубляются в микробный мир, открытие того, что отдельная бактерия может использовать несколько путей, подчеркивает, как много еще предстоит изучить и как эти скрытые стратегии могут способствовать созданию более чистого и устойчивого будущего.

Больше информации: Дарио Р. Шоу и др., Независимо эволюционировавшие пути внеклеточного переноса электронов у экологически разнообразных Desulfobacterota, The ISME Journal (2025). DOI: 10.1093/ismejo/wraf097

Источник: King Abdullah University of Science and Technology