کشف مولکولی که امکان تولید الکتریسته را به باکتری ها می دهد

برای باکتری ها که فاقد دهان و جهیز تنفسی مشابه ریه هستند، اجرا تنفس بخشی مرموز پر حرارت از انسان ادا می شود. تو بدن انسان اکسیژن ازطریق ثانیه متوجه جگر ها شده و در بازدم به عارض دی اکسید کربن خارج می شود. «ژئوباکتر ها» نوعی از باکتری ها هستند که در تمام مناطق آب های تحت زمینی زندگی می کنند. این قسمت قسمت کردن از باکتری ها از خاکروبه های آلی تغذیه و در بازدم خویشتن الکترون آزاد و به این ترتیب مسئله الکتریکی بخشی تولید می کنند.

این الکترون ها که در بازدم آزاد می شوند، همیشه به ماده ای برای تجمع داخل آن نیاز دارند (معمولاً داخل یک ماده معدنی فراوان در آب های زیرزمینی مشابه اکسید آهن تجمع می یابند) و ژئوباکتر ها ابزاری غیرمتعارفی برای اطمینان از چسبیدگی الکترون ها به این ماده دارند. نیخیل مالوانکار، استادیار مرکز تحقیقات علوم میکروبی دانشگاه ییل در کنتیکت گفت: «ژئوباکتر ها ازطریق بخشی که اساساً یک لوله تنفسی بوسیله حساب می آید که صدها برابر کمیت آن ها است، تنفس می درنگ.»

این لوله های تنفسی «نانوسیم» (nanowire) نامیده می شوند. اگرچه این رشته های ریز و رسانا اندازه ای ۱۰۰ هزار برابر کوچک برنده از حیثیت موی مردم دارند، می توانند الکترون ها را تا صدها خواه هزاران برابر کشش سلول یک ژئوباکتر منتقل کنند. به دلیل بود این سازگاری، ژئوباکترها یکی از مهم ترین سیستم های تنفسی زمین به شمار می آیند. داخل هر زمان مشخص، میلیاردها باکتری در کف دریاها الکتریسیته تولید می کنند.

در بررسی جدیدی که درون ۱۷ آگوست داخل مجله Nature Chemical Biology منتشر شد، مالوانکار و همکارانش کشف کردند که چگونه می توان این انرژی را با یک شبکه قدرتمند میکروبی ترکیب کرد. محققان با استفاده از تکنیک های پیشرفته میکروسکوپی، «مولکول مخفی» را کشف کردند که به ژئوباکتر دستور می دهد در فواصل بیش طولانی که قبلا داخل باکتری دیده نشده بود، تنفس درنگ. این دسته از محققان همچنین دریافتند که با تحریک کلنی های ژئوباکتر با یک میدان الکتریکی، این باکتری ها هزار مقابل کارآمدتر از محیط طبیعی خود، انرژی الکتریکی را هدایت می کنند.

نانوسیم های تربیت کننده الکتریسیته بوسیله شکل رشته های باریک قرمز رنگ مشاهده می شوند.

براساس این نتایج پژوهشگران پیش روی کردند که حساسیت این سازگاری های ذاتی و الکتریکی می تواند گامی اساسی درون دگرگونی کلنی های ژئوباکتر به باتری های حی و تنفسی باشد. برای تاسیس اسباب الکترونیکی می نبوغ از باکتری های تولیدکننده الکتریسیته استعمال کرد.مقاله های مرتبط:ساخت باتری گیاهی که از باکتری ها برق تولید می کندتولید برق با کاربرد از رطوبت هوا و هاگ باکتری هاتولید برق با کاربرد از تازگی فضا و هاگ باکتری ها

عجیب ترین میکروب

بوسیله گفته پژوهشگران این مطالعه، در اعماق زمین و در خاکی برنده و فاقد اکسیژن، ژئوباکتر می تواند داخل فضا های ماندگی زندگی بطی ء که تعداد کمی از میکروب های دیگر می توانند زنده بماند. نانوسیم ها که به ژئوباکترها امکان می دهند در غیاب اکسیژن نفس کشیدن کنند، بخاطر زنده نگه داشتن این باکتری ها روی زمین (جایی که گیرنده های الکترونی مثل اکسید آهن به ندرت بیش از چند میلیونیوم متر با آن ها فاصله دارند) از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند. بااین حال، کلنی های ژئوباکتر که داخل آزمایشگاه نمو می کنند، همیشه امکان زندگی در مجاورت مواد معدنی فراوان را ندارند.

داخل تحقیقات اخیر، مالوانکار و همکارانش دریافتند که ژئوباکترهای احیاکننده سولفور که داخل آزمایشگاه رشد کرده اند، تو هنگام استراحت گرفتن در معرض یک الکترود کوچک یا دیسک انتقال دهنده الکتریسیته، از یک ترفند هوشمندانه دیگر بخاطر زنده ماندن استفاده می کنند. باکتری های تهییج شده با میدان الکتریکی، داخل قالب بیوفیلم های متراکمی تجمع می یابند. تو این حالت انبوهی از صدها میکروب جداگانه ی بوسیله هم پیوسته، الکترون ها را ازطریق یک شبکه مشترک بوسیله حرکت در می آورند.

مالوانکار در این مناسبت می گوید: «این باکتری ها مانند آپارتمان های بلند، بوسیله شکل صدها مرتبه روی تیمار قرار می گیرند و همه آن ها می توانند یک شبکه الکتریکی مشترک داشته باشند و به نعوظ مداوم الکترون ها را هدایت کنند.» سؤال بزرگی که مالوانکار و همکارانش را با دشوار مواجه کرده، این است که چگونه میکروب ها تو طبقه صدم این بناء می توانند الکترون ها را تا انتهای این سازه هدایت کرده و بعد ازطریق نانوسیم خارج کنند.

برای کشف اسرار نانوسیم، محققان این مطالعه با استفاده از دو تکنیک میکروسکوپی پیشرفته، محیط های کشت آزمایشگاهی ژئوباکترها را مورد تجزیه و تفریق قرار دادند. اولین تکنیک میکروسکوپی تک استفاده، «میکروسکوپ نیروی اتمی با وضوح بالا» نامیده می شود. این میکروسکوپ با لمس سطح تک بررسی با یک کاوشگر مکانیکی بیش حساس، اطلاعات دقیق در مورد ساختار نانوسیم ها را جمع آوری کرد.

سیبل ابرو یالچین، ادیب اصلی تفحص درون مرکز تحقیقات علوم میکروبی ییل در مورد عملکرد این میکروسکوپ توضیح انصاف: «عملکرد این میکروسکوپ به نوعی مانند خواندن خط بریل است، با این فرق که می تواند برجستگی هایی در حدود یک میلیاردم متر را مورد بررسی راحتی دهد.»

محققان ازطریق تکنیک میکروسکوپی دوم، به شهرت «نانو اسپکتروسکوپی مادون قرمز»، مولکول های خاصی را درون نانوسیم ها براساس نحوه پراکندگی نور زیر قزل ورودی معارفه کردند. براساس گفته های یالچین، با این دو روش، محققان «پی انگشت تخصیص بوسیله بی نظیر» هر اسید آمینه را در پروتئین های سازنده نانوسیم های ژئوباکتر مشاهده کردند.

تیم استفهام به این نتیجه رسید، هنگامی که ژئوباکتر توسط یک بازار الکتریکی تهییج می شود، یک نوع نانوسیم تولید می نرم که قبلا ناشناخته بود و از پروتئینی بوسیله نام «OmcZ» ساخته می شود. این پروتئین که از واحدهای سازنده فلزی و کوچک به اشتهار «هِم» (heme) ساخته شده است، نانوسیم هایی را ایجاد می کند که هزار موافق کارآمدتر از نانوسیم های عادی ژئوباکتر در خاک الکتریسیته را هدایت می کند و به باکتری ها اجازه می دهد که الکترون ها را تا فواصل زیادی هدایت کنند.

اقتدار تولید الکتریسیته توسط باکتری ها در گذشته شناخته شده بود؛ اما ساختار مولکولی تولیدکننده الکتریسیته داخل باکتری ها جلوه گر نبود که مالوانکار و همکارانش این مولکول پروتئینی را شناسایی کردند.باتری های زنده تنفسی

بسیار از یک دهه است که محققان از کلنی های ژئوباکتر برای تأمین انرژی ساختارهای الکترونیکی کوچک مصرف می کنند. مزیت واقعی این سلول های سوختی میکروبی، طول عمر آن ها است. باکتری ها می توانند تقریبا به طور نامحدود خویشتن را نوسازی کرده و تولید مثل کنند و بار الکتریکی کوچکی را بوسیله طور مداوم ساختن کنند. در یک آزمایش نیروی دریایی ایالات متحده که در سال ۲۰۰۸ انجام شد، محققان از یک پیل سوختی ژئوباکتر بخاطر تأمین انرژی یک بویه هواشناسی کوچک داخل رودخانه پوتامک واشنگتن دی سی برای بیش از ۹ ماه مصرف کردند، بدون اینکه هیچ نشانه ای از کاهش انرژی الکتریکی نشان دهد. بااین حال، شارژی که توسط این پیل های سوختی تأمین می شود، متجاوز ناچیز است (قدرت بویه هواشناسی نیروی بحری در حدود ۳۶ میلی وات یا هزارم وات حیات) و همین امر تأمین انرژی گوناگون وسایل الکترونیکی که توسط باکتری ها زیبنده تأمین است را محدود می کند.

باتوجه بوسیله تحقیقات جدید، دانشمندان زمان حال می دانند که چگونه نانوسیم های میکروبی را برای تقویت و رسانایی بیشتر دستکاری کنند. مالوانکار داخل این مورد افزود: «این اطلاعات می تواند تولید ابزارهای بیوالکترونیکی را ارزان تر و آسان تر کند و امیدوارم این یافته، شروعی برای تولید نسل جدیدی از باتری های مبتنی کنار باکتری و سازوار با هوا زیست باشد.» وی در سرانجام به این نکته رمز کرد: «ما هنوز تا امکان شارژ آیفون های خویشتن با یک مشت ژئوباکتر بور داریم، ولی حس قدرت شبکه الکتریکی میکروسکوپی بخشی آسان تر شد.»بیشتر بخوانید:ایرانیان باستان ۱۰۰۰ سال پیش فولاد ضدزنگ تولید می کردندکامپیوتری با پیش بینی افکار فرد، از آن ها تصویرسازی می کندکشف تابوت دان های ۲۵۰۰ ساله داخل سقاره مصرتکنولوژی جدید شمع، مفتاح ساخت خودروهای فوق کم مصرفتحلیل جدید DNA، حقایقی غیرمنتظره را درباره وایکینگ ها فاش می یواش