מחקר חדש חושף את המנגנון שמאפשר לחיידקים מסוימים לקלוט אלקטרונים ולהפיק מהם אנרגיה

רוב היצורים החיים צורכים אנרגיה דרך חומרי מזון שהם אוכלים. האנרגיה הזאת מתקבלת מפירוק של קשרים כימיים בחומרי המזון ויצירת אחרים בתהליך המכונה נשימה תאית. החלקיקים שמניעים את רצף התגובות הזה פירוק קשרים ויצירתם הם אלקטרונים, שמטענם שלילי. ממש כמו בזרם חשמלי, תנועת האלקטרונים מקשר כימי אחד למשנהו מעבירה את האנרגיה האצורה במזון לתוך התא, וכך טוענת בו אנרגיה.

עם זאת, יש חיידקים שבמקום להשתמש בחומרי מזון, מסוגלים לקבל אלקטרונים ממתכות, מינרלים ואפילו מזרם חשמלי ישיר בסביבתם. מחקר חדש באוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס, שופך אור על המערכת שמאפשרת לחיידקים האלה להתחבר לשקע ולהיטען.

החיידקים אוכלי החשמל מוכרים למדע כבר שנים. הם מסוגלים לנצל ברזל מוצק או מומס במים כמקור לאלקטרונים בתהליך המכונה חמצון, בדומה לתהליך היוצר חלודה בברזל. אפשר למצוא חיידקים כאלו כמעט בכל סביבת מחיה ולאסוף אותם באמצעות אלקטרודות ברזל: כשמעבירים באלקטרודות זרם חשמלי, החיידקים נמשכים אליהן כדי לנצל את האלקטרונים העוברים בהן.

עם זאת, המעטפת החיצונית של החיידקים הללו אינה מוליכה חשמל ואינה חדירה כלל לחלקיקי ברזל מומסים, לא כל שכן לברזל מוצק. יתרה מזאת, זרם חשמלי ישיר של אלקטרונים חופשיים עלול להשמיד את החיידקים. פענוח הצורה המבוקרת שבה האלקטרונים נכנסים לתוך החיידק היה לפיכך אתגר משמעותי למדענים, ובהם ראש הצוות של המחקר החדש העוסק בתופעה הייחודית, אַרְפִּיטָה בּוֹז (Bose).

צילום במיקרוסקופ אלקטרונים של חיידקים מחמצני ברזל | מקור: Science Photo Library
חלבונים מיוחדים המסייעים להוליך את האלקטרונים. צילום במיקרוסקופ אלקטרונים של חיידקים מחמצני ברזל | מקור: Science Photo Library

זה לא אנחנו, זה (דקא-) הם

במחקר, שפורסם בכתב העת mBio, נחשפה לראשונה מערכת החלבונים שהחיידקים מייצרים כדי להוליך את האלקטרונים לתוכם. "היה מסובך להסיר את הלוט מעל הבסיס המולקולרי של התהליך הזה", מספרת בוז. הסיבה, לדבריה, היא "בעיקר מורכבות החלבונים המעורבים בתהליך".

בּוֹז ועמיתיה חקרו לצורך זה חיידקי Rhodopseudomonas palustris, מזן שנקרא TIE-1. חיידקים אלה בונים תעלות הולכה לאלקטרונים מחלבונים לאורך המעטפת החיצונית שלהם. הם גילו בחלבונים האלה יש מולקולות עזר בשם דקא-הם (deca-heme) שקושרות אטומי ברזל אשר מסייעים להולכת האלקטרונים בתעלות.

בטבע, החיידקים האלה מחמצנים חלקיקים מומסים של ברזל כדי להשיג אלקטרונים, ובשילוב עם אנרגיית השמש מייצרים לעצמם חומרי מזון מפחמן דו-חמצני וחנקן. בחושך ובתנאי מחסור בחומרי מזון, הם מסוגלים לשרוד אך ורק מניצול הברזל בסביבתם, וכאמור יזללו בהנאה גם מזרם חשמלי שעובר באלקטרודות.

החוקרים מקווים שמערכת החלבונים הזו תסייע לזהות חיידקים "אוכלי חשמל" נוספים בטבע, וכמובן תשפר את הבנת התופעה הזאת באקולוגיה ובאבולוציה של חיידקים. על פי מובילת המחקר דינש גופטה (Gupta), "המחקר יסייע לתכנן פלטפורמות חיידקיות שאפשר להזין מחשמל ופחמן דו-חמצני ולהפיק מהן תרכובות בעלות ערך כמו דלקים ביולוגיים".

החיידקים שאוכלים חשמל - סרטון של אוניברסיטת וושינגטון על המחקר (באנגלית):