تم العثور على المواد التي مُنحت جائزة نوبل عنها في الطبيعة الحية لأول مرة

يمكن وصفها بأنها صانعة كابلات مجهرية: في جميع أنحاء العالم، في الرواسب الموحلة، تتغذى البكتيريا الصغيرة وتنمو، وتبني دوائر موصلة للكهرباء في الوحل. والآن اكتشفوا كيف يفعلون ذلك، عن طريق نسج صفائح صغيرة من النيكل والمركبات العضوية في ألياف موصلة.

الأول في الطبيعة

مؤلفو الدراسة، نشرت كطبعة أولية على com.bioRxivيدعي أنه وجد أول مثال بيولوجي إطار معدني عضوي – المواد التي كان المبدعون حصل على جائزة نوبل في الكيمياء الشهر الماضي. تقوم هذه الموصلات البكتيرية أيضًا بتوصيل الكهرباء بشكل أفضل بكثير من الأسلاك العضوية الاصطناعية، لذا يمكن أن تشكل الأساس للإلكترونيات المرنة والمتوافقة حيويًا مع محتوى معدني منخفض واستهلاك منخفض للطاقة.

“إذا تم تأكيد ذلك، فسيكون ذلك خطوة كبيرة في فهمنا لقدرات الكابلات. هذا ما كنا نسعى إليه منذ سنوات،” علق عالم الأحياء الدقيقة الكهربائية لارس بيتر نيلسن من جامعة آرهوس.

اكتشف فريقه بكتيريا الكابل في عام 2009 في ميناء آرهوس. ومنذ ذلك الحين، تم العثور عليها في جميع أنحاء العالم في رواسب البحيرات والأنهار والمحيطات. وتتغذى هذه الميكروبات على مركبات غنية بالكبريت تنطلق عندما تتحلل المواد العضوية، مثل كبريتيد الهيدروجين. تقوم البكتيريا بسرقة الإلكترونات من الغاز عديم اللون ذو الرائحة الكريهة وتنقلها في النهاية إلى الأكسجين المتوفر بكثرة في الطبقات العليا من الرواسب. عندما تنتقل الإلكترونات من حالة طاقة أعلى في كبريتيد الهيدروجين إلى حالة طاقة أقل في الأكسجين، يمكن للميكروبات أن تأخذ بعض الاختلاف.

ولتنفيذ تفاعلات الأكسدة والاختزال، تحتاج البكتيريا إلى الجمع بين كبريتيد الهيدروجين الموجود في الأعماق والأكسجين الموجود على السطح. لقد وجدت الطبيعة حلاً عالميًا: المشاركة والتعاون. ومع تكاثر الميكروبات وتمديد “الأسلاك” في الحمأة، فإنها تتشكل كائن حي واحد ذو غشاء خلية مشترك.

“هذه ظاهرة فريدة من نوعها في علم الأحياء”، يتعجب عالم الأحياء الدقيقة ديريك لوفلي من جامعة ماساتشوستس أمهيرست.

آلاف الكيلومترات من الأسلاك الحية

وتم حتى الآن العثور على “أسلاك” يصل طولها إلى 5 سنتيمترات، وتتكون من 25 ألف بكتيريا كابلية تتفاعل لتشكل ما يشبه أنبوب التنفس. وتشير التقديرات إلى أن المتر المربع الواحد من الرواسب قد يحتوي على حوالي 20 ألف كيلومتر من هذه الأسلاك البكتيرية. يقوم هؤلاء “المهندسون الصغار” بإعادة ترتيب المشهد الكيميائي للرواسب، وتعزيز تحول المعادن، وتحفيز دورة المغذيات، والتسبب في تدفق الأيونات التي تعمل على تحمض الطبقات العميقة.

ولم تتمكن أكثر من عشر سنوات من البحث من تحديد بنية هذه الأسلاك. ساعد المجهر الإلكتروني. وبمساعدتها، تم تحديد الخيوط الفردية للبكتيريا، وعلى طول محيطها – العشرات من التلال، تحتوي كل منها على ألياف موصلة يبلغ قطرها 50 نانومتر فقط. وتتكون هذه الألياف بدورها من حزم أصغر من الأشرطة النانوية المنسوجة.

وفقًا للتحليل الطيفي للأشعة السينية، ومضان الأشعة السينية والنمذجة الحاسوبية، تستخرج البكتيريا الكبلية كميات ضئيلة من النيكل من الرواسب والماء وتخلق هياكل صفائحية طويلة عن طريق ربط ذرات المعدن بالمركبات العضوية الغنية بالكبريت. يتم تكديس هذه الألواح لتكوين أشرطة نانوية، يتم نسجها في حزم، على غرار الأسلاك النحاسية المجدولة في الإلكترونيات. يعترف نيلسن قائلاً: “إنه أمر مثير للإعجاب كيف أدى التطور إلى تحسين هذه البنية”.

يمثل هذا الهيكل أول إطار معدني عضوي مشتق بيولوجيًا، وهي فئة من المواد التي أسرت اهتمام الكيميائيين لسنوات. يمكن ضبط الفراغات الموجودة في هذه المواد المسامية لاحتجاز جزيئات معينة، مما يجعلها مفيدة لتخزين الغازات مثل الهيدروجين والميثان، أو استخراج بخار الماء أو ثاني أكسيد الكربون من الهواء.

ما هو التالي

لقد طور الكيميائيون طرقهم الخاصة لتصنيع النيكل والمركبات العضوية في أسلاك نانوية موصلة. لكن الأشرطة النانوية البكتيرية أفضل 100 مرة في توصيل الإلكترونات من نظيراتها الاصطناعية الحديثة.

ووفقا للوفلي، يعمل الباحثون بالفعل على تكييف الموصلات البكتيرية الأخرى لإنشاء خلايا عصبية اصطناعية وأنواع جديدة من أجهزة الاستشعار الكيميائية – وحتى توليد الكهرباء مباشرة من الهواء الرطب. وخلص إلى القول: “ربما تؤدي بكتيريا الكابل إلى شيء آخر”.