Naukowcy z Oregonu odkryli bakterię do budowy biodegradowalnych chipów

Odkrycie nowego gatunku bakterii, Candidatus Electrothrix yaqonensis, przez naukowców z Oregon State University, opublikowane 7 maja 2025 roku, stanowi przełom w dziedzinie mikrobiologii i bioelektroniki. Ta unikalna bakteria, nazwana na cześć ludu Yaqona z zatoki Yaquina w Oregonie, wykazuje zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego, co otwiera nowe możliwości w technologiach ekologicznych, medycznych i energetycznych. Poniższy artykuł szczegółowo omawia odkrycie, jego cechy, potencjalne zastosowania oraz wyzwania, przed którymi stoją naukowcy, pragnący wykorzystać potencjał tej bakterii.

Kontekst odkrycia

Miejsce i okoliczności

Candidatus Electrothrix yaqonensis została odkryta w osadach morskich na plaży w zatoce Yaquina, na wybrzeżu Oregonu, USA. Region ten, charakteryzujący się bogatą bioróżnorodnością mikrobiologiczną, jest idealnym środowiskiem dla bakterii kablowych, które rozwijają się w warunkach słonowodnych. Odkrycie miało miejsce w ramach badań prowadzonych przez zespół Oregon State University, pod kierownictwem dr. Chenga Li, byłego badacza postdoktoranckiego, obecnie profesora na James Madison University, który latem 2025 roku powróci na OSU jako adiunkt.

Publikacja wyników

Wyniki badań opublikowano 7 maja 2025 roku w czasopiśmie Applied and Environmental Microbiology. Artykuł, autorstwa Chenga Li, Clare Reimers oraz współpracowników z Uniwersytetu w Antwerpii, Uniwersytetu Technicznego w Delft i Uniwersytetu w Wiedniu, szczegółowo opisuje morfologię, genomikę i potencjalne zastosowania bakterii. Publikacja zyskała szerokie zainteresowanie mediów, m.in. dzięki doniesieniom w Wprost oraz na platformie X, gdzie pojawiły się wzmianki w językach takich jak hiszpański, portugalski czy arabski, co świadczy o globalnym znaczeniu odkrycia.

Charakterystyka Candidatus Electrothrix yaqonensis

Klasyfikacja i przynależność

Candidatus Electrothrix yaqonensis należy do grupy bakterii kablowych, które są wielokomórkowymi prokariontami zdolnymi do przewodzenia elektronów na odległość nawet kilku centymetrów. Dotychczas znano dwa główne rodzaje bakterii kablowych:

• Candidatus Electrothrix, występujące w środowisku słonowodnym,
• Candidatus Electronema, typowe dla wód słodkich i słonawych.

Nowo odkryta bakteria jest unikalna, ponieważ wykazuje cechy obu rodzajów, co czyni ją „pomostem ewolucyjnym” między tymi grupami. Analiza genomiczna ujawniła, że jej profil genetyczny łączy cechy metaboliczne obu rodzajów, co sugeruje nowe spojrzenie na ewolucję bakterii kablowych.

Struktura i właściwości przewodzące

Bakteria wyróżnia się nietypową strukturą:

• Filamenty: Składa się z komórek w kształcie pręcików, połączonych w długie, wielokomórkowe filamenty o długości nawet kilku centymetrów, pokrytych wspólną błoną zewnętrzną.
• Grzbiety powierzchniowe: Posiada wyraźne grzbiety na powierzchni filamentów, które są do trzech razy szersze (średnio 228 nm) niż u innych bakterii kablowych. Grzbiety te mają spiralny układ i są bardziej kanciaste niż w innych gatunkach.
• Osłonka ochronna: Filamenty otoczone są grubą, przezroczystą osłonką, która nie przewodzi prądu, ale chroni bakterię przed czynnikami zewnętrznymi, takimi jak zmiany chemiczne w środowisku czy ataki innych mikroorganizmów. Jest to struktura niespotykana w innych bakteriach kablowych.
• Przewód biologiczny: Wewnątrz grzbietów znajdują się włókna przewodzące, zawierające kompleks metaliczny oparty na niklu (NiBiD), który działa jak „biologiczny przewód”. Ten kompleks umożliwia efektywne przewodzenie elektronów na duże odległości.

Wydajność elektryczna

Testy przeprowadzone przez naukowców wykazały, że Candidatus Electrothrix yaqonensis osiąga rezystancję na poziomie 370 kiloomów, co plasuje ją wśród najbardziej wydajnych bakterii kablowych pod względem przewodzenia prądu. Po umieszczeniu izolowanych filamentów na elektrodzie złotej i poddaniu ich napięciu, uzyskano liniową, symetryczną krzywą prądowo-napięciową, co potwierdza wysoką przewodność elektryczną.

Metabolizm

Bakteria wykorzystuje proces zwany elektrogenną oksydacją siarki (e-SOx), który polega na podziale pracy między komórkami w filamentach:

• Komórki w głębszych warstwach osadów utleniają siarczki, generując elektrony.
• Elektrony są transportowane przez włókna przewodzące do komórek na powierzchni, które wykorzystują tlen lub azotany jako akceptory elektronów.

Ten mechanizm umożliwia bakterii odgrywanie kluczowej roli w cyklach biogeochemicznych, takich jak obieg siarki i składników odżywczych w osadach morskich.

Znaczenie dla bioelektroniki

Potencjalne zastosowania

Zdolność Candidatus Electrothrix yaqonensis do przewodzenia prądu otwiera szerokie możliwości w dziedzinie bioelektroniki, która łączy biologię z technologią elektroniczną. Główne obszary zastosowań obejmują:

Medycyna

• Implanty biokompatybilne: Bakterie mogą inspirować projektowanie implantów medycznych, takich jak stymulatory tkanek czy czujniki monitorujące parametry biologiczne w czasie rzeczywistym.
• Inteligentne opatrunki: Możliwość tworzenia bioczujników do monitorowania ran lub wykrywania infekcji w oparciu o przewodność bakterii.

Ochrona środowiska

• Bioremediacja: Bakterie mogą być wykorzystywane do usuwania zanieczyszczeń, takich jak metale ciężkie czy związki organiczne, z osadów morskich i rzecznych. Ich zdolność do transportu elektronów przyspiesza procesy oczyszczania.
• Monitorowanie środowiska: Bioczujniki oparte na bakteriach kablowych mogą służyć do wykrywania zmian chemicznych w wodzie lub glebie, np. poziomu tlenu czy siarczków.

Energia odnawialna

• Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe: Bakterie mogą być wykorzystywane do przekształcania odpadów organicznych w energię elektryczną, oferując zrównoważone źródło energii.
• Biohybrydowe urządzenia energetyczne: Niklowo-białkowe włókna bakterii mogą inspirować nowe materiały do magazynowania energii w środowiskach wodnych.

Przemysł

• Bezpieczeństwo żywności: Bioczujniki mogą wykrywać patogeny w przemyśle spożywczym, zwiększając efektywność kontroli jakości.
• Biodegradowalne urządzenia elektroniczne: Struktura bakterii może prowadzić do opracowania elektroniki, która rozkłada się naturalnie, redukując odpady elektroniczne.

Przewaga nad istniejącymi technologiami

• Ekologiczność: W przeciwieństwie do tradycyjnych komponentów elektronicznych opartych na krzemie czy metalach, bakterie kablowe oferują rozwiązania biodegradowalne i zrównoważone.
• Elastyczność środowiskowa: Candidatus Electrothrix yaqonensis działa w środowiskach słonowodnych, co czyni ją idealną do zastosowań w trudnych warunkach, takich jak morza czy estuaria.
• Wysoka przewodność: Rezystancja 370 kiloomów przewyższa inne bakterie kablowe, co zwiększa efektywność potencjalnych urządzeń.

Kulturowe i etyczne aspekty odkrycia

Nazwa i hołd dla ludu Yaqona

Nazwa bakterii, Candidatus Electrothrix yaqonensis, została wybrana we współpracy z przedstawicielami Konfederacji Plemion Siletz, do których należą potomkowie ludu Yaqona. Nazwa „Yaqona” odnosi się do zatoki, rzeki i ludu zamieszkującego niegdyś te tereny. Decyzja ta ma na celu:

• Uznanie historycznego związku plemienia z ziemią, na której dokonano odkrycia.
• Podkreślenie wkładu rdzennych społeczności w wiedzę ekologiczną i zrównoważony rozwój.

Dr Cheng Li podkreślił: „Nazwanie ekologicznie ważnej bakterii na cześć plemienia to wyraz szacunku dla jego dziedzictwa i trwałych osiągnięć w ochronie środowiska”.

Wyzwania etyczne

• Wpływ na ekosystemy: Wykorzystanie bakterii na dużą skalę, np. w bioremediacji, wymaga badań nad ich wpływem na naturalne ekosystemy, aby uniknąć zaburzenia równowagi mikrobiologicznej.
• Modyfikacje genetyczne: Potencjalne ulepszanie bakterii poprzez inżynierię genetyczną budzi pytania o bezpieczeństwo i długoterminowe konsekwencje dla środowiska.
• Dostępność technologii: Bioelektronika oparta na bakteriach musi być rozwijana w sposób inkluzywny, aby uniknąć monopolizacji przez korporacje lub kraje rozwinięte.

Wyzwania naukowe i przyszłe badania

Ograniczenia obecnej wiedzy

• Świezość publikacji: Artykuł z 7 maja 2025 roku zawiera ogólny opis odkrycia, ale pełne dane, takie jak metodologia czy szczegóły genomiczne, mogą nie być jeszcze dostępne publicznie. To ogranicza możliwość niezależnej weryfikacji.
• Skalowalność: Przeniesienie zdolności bakterii do zastosowań przemysłowych wymaga opracowania metod hodowli na dużą skalę, co jest obecnie wyzwaniem technologicznym.
• Stabilność struktur: Niklowo-białkowe włókna muszą być testowane pod kątem trwałości w różnych warunkach, aby potwierdzić ich przydatność w urządzeniach.

Planowane badania

Naukowcy planują dalsze badania w następujących obszarach:

• Mechanizm tworzenia osłonki: Zrozumienie, jak bakteria wytwarza swoją ochronną osłonkę, może prowadzić do nowych metod projektowania materiałów biodegradowalnych.
• Samoporządkowanie włókien: Proces samoorganizacji włókien przewodzących może inspirować nowe podejścia do nanotechnologii.
• Testy aplikacyjne: Eksperymenty nad wykorzystaniem bakterii w bioremediacji i bioelektronice, w tym prototypy bioczujników i ogniw paliwowych.

Porównanie z wcześniejszymi odkryciami

Podobne twierdzenia o „rewolucyjności” pojawiały się w przeszłości, np. przy odkryciu bakterii Shewanella oneidensis w 2010 roku, która również przewodzi prąd. Jednak Shewanella nie osiągnęła masowych zastosowań z powodu ograniczeń w skalowalności i efektywności. Candidatus Electrothrix yaqonensis wyróżnia się lepszą przewodnością i unikalną strukturą, ale jej praktyczne zastosowanie wymaga pokonania podobnych barier.web8

Krytyczna analiza

Mocne strony odkrycia

• Innowacyjność: Połączenie cech obu rodzajów bakterii kablowych oraz odkrycie nowej struktury izolacyjnej i niklowego przewodu wskazuje na potencjalnie nowy mechanizm biologiczny.
• Wszechstronność zastosowań: Możliwość wykorzystania w medycynie, ochronie środowiska i energii odnawialnej czyni bakterię atrakcyjną dla różnych sektorów.
• Kulturowe znaczenie: Nazwanie bakterii na cześć ludu Yaqona wzmacnia dialog między nauką a społecznościami rdzennymi.

Słabe strony

• Brak replikacji: Wyniki nie zostały jeszcze potwierdzone przez inne laboratoria, co jest kluczowe dla wiarygodności naukowej.
• Przesadzone narracje: Media, takie jak Wprost, mogą wyolbrzymiać znaczenie odkrycia, używając sformułowań typu „rewolucja”, co wymaga ostrożnego podejścia.
• Ograniczone źródła: Większość informacji pochodzi z jednego artykułu i komunikatów prasowych, co utrudnia pełną ocenę.

Alternatywne perspektywy

Niektórzy eksperci mogą twierdzić, że inne technologie, takie jak grafen czy nanomateriały, są bardziej zaawansowane w bioelektronice i mogą przewyższać bakterie pod względem trwałości i skalowalności. Jednak bakterie kablowe oferują unikalną zaletę w postaci biodegradowalności, co może być kluczowe w kontekście zrównoważonego rozwoju.

Wnioski

Odkrycie Candidatus Electrothrix yaqonensis to kamień milowy w badaniach nad bakteriami kablowymi i ich potencjalnym zastosowaniem w bioelektronice. Jej wyjątkowa zdolność do przewodzenia prądu, unikalna struktura z niklowym „przewodem” oraz wysoka wydajność (370 kiloomów) czynią ją obiecującym kandydatem do tworzenia ekologicznych technologii. Jednak przed pełnym wykorzystaniem jej potencjału naukowcy muszą pokonać wyzwania związane ze skalowalnością, stabilnością i wpływem na środowisko. Kulturowe znaczenie nazwy Ascertainty, poprzez uhonorowanie ludu Yaqona, wzmacnia znaczenie odkrycia, łącząc naukę z szacunkiem dla dziedzictwa rdzennych społeczności.

Rekomendacje dla dalszych działań

• Weryfikacja wyników: Niezależne laboratoria powinny replikować badania, aby potwierdzić przewodność i stabilność bakterii.
• Dostęp do publikacji: Pełny artykuł naukowy powinien być publicznie dostępny, aby umożliwić szczegółową analizę.
• Interdyscyplinarne badania: Współpraca między mikrobiologami, inżynierami i specjalistami od nanotechnologii przyspieszy rozwój aplikacji.
• Edukacja społeczna: Promowanie odkrycia w mediach powinno być wyważone, aby uniknąć nadmiernych oczekiwań.

Candidatus Electrothrix yaqonensis otwiera drzwi do nowej ery bioelektroniki, w której biologia i technologia mogą współistnieć w harmonii z naturą. Jej odkrycie, dokonane 7 maja 2025 roku, może stać się symbolem innowacji, która szanuje zarówno środowisko, jak i dziedzictwo kulturowe.