Электрод из кожи бактерий

Мы уже писали в предыдущем номере журнала о микробных топливных элементах. В этих установках бактерии передают электроны от восстановленных соединений на электрод (анод) и внешнюю цепь. А протоны попадают в среду, проходят через проницаемую для них мембрану и на катоде встречаются с электронами и кислородом. Получается вода, а в цепи возникает ток. Одна из задач разработчиков таких элементов повысить эффективность передачи электронов от бактерии на электрод.

Специалисты из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (США) во главе с Томасом Сквайром работают с почвенной бактерией Shewanella oneidensis, очень распространенной в природе и популярной среди ученых. Это существо интересно тем, что сбрасывает электроны с органических субстратов на кислород, а если его нет — то на нерастворимые оксиды или гидроксиды металлов, которые при этом восстанавливаются. Для переноса электронов из клетки наружу в мембране бактерии есть цитохромы OmcA и MtrC, образующие прочный комплекс. Shewanella oneidensis умеет также восстанавливать ионы тяжелых металлов, например урана и хрома. Эту ее способность можно использовать в металлургии и очистке природных сред.

Ученые из группы Сквайра выделили оба цитохрома и установили, что у них высокое сродство к минералу гематиту (Fe₂О₃). Когда белки добавляли к этому минералу, они налипали на него плотным слоем. Затем в среду вносили НАД·Н (восстановленный никотинамидадениндинуклеотид) — это вещество в клетке работает восстановителем цитохромов, передавая им электроны. В момент соединения белков с минералом ученым удалось зафиксировать прохождение тока. «Ток наблюдался недолго, несколько секунд, но его величина была не хуже, чем у лучших биореакторов, которые работают с живыми микроорганизмами», — сказал Томас Сквайр. Надо полагать, что цитохромы помогут увеличить силу тока, проходящего через единицу поверхности электрода, и сделать топливные элементы совсем крошечными (Journal of the American Chemical Society, 128 (43), 13978, 2006).