작년에 생물 생리 학자 Moh El-Naggar와 그의 대학원생 야미니 장 기르 (Yamini Jangir)는 사우스 다코타의 검은 언덕 아래에서 오래된 금광으로 뛰어 들었습니다. 요즘 블랙 언덕에 순례를하는 대부분의 과학자 들과는 달리, El-Naggar와 Jangir는 아 원자 입자를 사냥하지 않았습니다. 그들은 삶을 찾아 왔습니다.
어둠 속에서 지하 마일을 발견했을 때, 쌍은 녹슨 금속 파이프를 찾아 광산의 구절 네트워크를 가로 질러 갔다. 그들은 파이프의 고대 물을 깎아서 용기로 옮겼으며 다양한 전극을 삽입했습니다. 그들은 순수한 전기에서 살 수있는 작은 마이크로 마이크로 인 그들의 먹이를 유인하기를 바랐다.
연구원들이 사냥하고있는 전기를 먹는 미생물은 과학자들이 이해하기 시작한 더 큰 종류의 유기체에 속합니다. 그들은 대부분의 미지의 세계에 서식합니다 :심해 통풍구의 버블 링 가마솥; 미네랄이 풍부한 정맥은 지구 표면 아래 깊은 정맥; 딥 바다 아래에서 불과 몇 인치 떨어진 바다 퇴적물. 미생물은 이상한 서식지가 실험실에서 자라기가 매우 어렵 기 때문에 대부분 무시 된 삶의 세그먼트를 나타냅니다.
그러나 초기 설문 조사는 잠재적 미생물 현상금을 시사합니다. 남부 캘리포니아 해안의 카탈리나 섬 근처 해저에서 수집 한 미생물 샘플링은 미네랄이나 금속을 먹거나 호흡하여 전자를 소비하거나 흘리는 놀라운 다양한 미생물을 발견했습니다. El-Naggar의 팀은 여전히 Gold Mine 데이터를 분석하고 있지만 초기 결과는 카탈리나 발견을 반영한다고 말합니다. 지금까지 과학자들이 올바른 위치 에서이 전자 먹는 사람을 검색 할 때마다 미네랄이 많지만 산소는 많지 않은 곳입니다.
전자 먹는 사람의 집계가 자라면서 과학자들은 그들이 어떻게 작동하는지 알아 내기 시작했습니다. 미생물은 금속 조각에서 전자를 어떻게 소비하거나, 완료 될 때 환경에 다시 퇴적합니까? 작년에 발표 된 연구에 따르면이 미생물 중 하나가 전기 먹이를 잡고 소비하는 방식이 밝혀졌습니다. 그리고 출판되지 않은 작품은 일부 금속 먹는 사람이 막을 직접 전자를 운반한다고 제안합니다.
록 먹는 사람
전기를 먹는 것은 기괴한 것처럼 보이지만 전류의 흐름은 생명의 중심입니다. 모든 유기체는 에너지를 만들고 저장하기 위해 전자 공급원이 필요합니다. 일단 작업이 완료되면 전자를 흘릴 수 있어야합니다. 노벨상을 수상한 생리 학자 Albert Szent-Györgyi는 한 번 말했다.“삶은 휴식을 취할 곳을 찾는 전자 일뿐입니다.”
인간과 다른 많은 유기체는 음식에서 전자를 얻고 우리의 호흡으로 배출됩니다. El-Naggar와 다른 사람들이 자라려고하는 미생물은 철, 황 또는 망간과 같은 무기 물질로부터 에너지를 수확하는 석회화 영양이라는 그룹 또는 암석 먹는 그룹에 속합니다. 올바른 조건에서는 전기에서만 살아남을 수 있습니다.
직접 전자 전달로 알려진 전자를 섭취하는 미생물의 명백한 능력은 생물 물리학의 기본 규칙을 무시하는 것처럼 보이기 때문에 특히 흥미 롭습니다. 세포를 동봉하는 지방 막은 절연체로서 작용하여 전자가 교차하기가 불가능하다고 생각되면 전기 중성 영역을 생성합니다. 남부 캘리포니아 대학교의 지반 학자 인 케네스 닐슨 (Kenneth Nealson)은 작년 런던의 응용 미생물학을 강의하면서“박테리아가 세포 내부에서 전자를 가져 와서 외부로 옮길 것이라고 믿기를 원하지 않았다”고 말했다.
1980 년대에 Nealson과 다른 사람들은 전자를 고체 미네랄에 직접 배출 할 수있는 놀라운 박테리아 그룹을 발견했습니다. 이 위업의 배후의 분자 메커니즘을 발견하는 데 2006 년까지 걸렸다. 특수 단백질의 트리오는 세포막에 앉아 전자를 세포 외부로 전달하는 전도성 교량을 형성한다. (과학자들은 여전히 전자가 막의 전체 거리를 에스코트하지 않은지 여부에 대해 논의합니다.)
전자-구조기에서 영감을 얻은 과학자들은 미생물이 에너지 공급원으로서 전자를 역전시키고 직접 섭취 할 수 있는지 궁금해하기 시작했습니다. 연구원들은 메탄을 만드는 것으로 알려진 메탄 겐 (methanogens)이라는 미생물 그룹에 대한 검색을 집중시켰다. 대부분의 메탄 겐은 엄격한 금속 먹는 사람이 아닙니다. 그러나 2009 년 Pennsylvania State University의 환경 엔지니어 인 Bruce Logan과 공동 작업자들은 처음으로 메타 노겐이 전극의 에너지 만 사용하여 살아남을 수 있음을 보여주었습니다. 연구원들은 미생물이 전자 생산자가 세포벽을 가로 질러 전자를 셔틀에 사용하는 것과 유사한 분자 교량을 통해 전자를 직접 빨아 들이고 있다고 제안했다. 그러나 그들은 직접적인 증거가 부족했다.
그 후 작년에 Stanford University의 미생물학자인 Alfred Spormann과 공동 작업자는 Logan의 이론에 구멍을 뚫었습니다. 그들은이 유기체가 벌거 벗은 전자를 먹지 않고 전극에서 살아남을 수있는 방법을 밝혀 냈습니다.
Microbe Spormann은 Methanococcus maripaludis를 연구했습니다 , 전극의 표면에있는 효소를 배설합니다. 효소는 물에서 양성자로 전극으로부터 전자를 짝을 이루어 수소 원자를 생성하는데, 이는 메타 노겐들 사이에서 잘 확립 된 식품 공급원이다. 미네소타 대학교 쌍둥이 도시의 미생물 학자 인 다니엘 본드 (Daniel Bond)는“전도성 경로를 갖지 않고 효소를 사용합니다. "그들은 전도성 재료에서 다리를 건설 할 필요가 없습니다."
미생물은 벌거 벗은 전자를 먹지 않지만 결과는 그 자체로 놀라운 일입니다. 대부분의 효소는 세포 내부에서 가장 잘 작동하며 외부에서 빠르게 저하됩니다. Spormann은“독특한 점은 효소가 전극의 표면에 모일 때 얼마나 안정적인지입니다. 과거의 실험에 따르면이 효소는 몇 시간 동안 세포 외부에서 활성화되어 있다고합니다.“그러나 우리는 6 주 동안 활성화되어 있음을 보여주었습니다.”
.그러나 Spormann과 다른 사람들은 여전히 메탄 겐과 다른 미생물이 전기를 직접 빨아 들일 수 있다고 생각합니다. Cornell University의 환경 엔지니어이자 국제 미생물 전기 화학 및 기술 협회 회장 인 Largus Angenent는“이것은 직접 전자 전달을위한 대안적인 메커니즘이며 직접 전자 전달이 존재할 수 없다는 것을 의미하지는 않습니다. Spormann은 그의 팀이 이미 육아 전자를 섭취 할 수있는 미생물을 발견했다고 말했다. 그러나 그들은 아직 세부 사항을 게시하지 않았습니다.
화성의미생물
실험실에서는 모든 지구의 미생물 중 2 % (아마도 2 %) 만 자랄 수 있습니다. 과학자들은 이러한 새로운 접근법 (전통적인 배양 시스템이 아닌 전극에서 증가하는 미생물)이 재배하기에 훨씬 불가능한 많은 미생물을 연구 할 수있는 방법을 제공하기를 희망합니다.
.El-Naggar와 함께 일하는 USC의 박사후 연구원 인 Annette Rowe는“미네랄의 프록시로 전극을 사용하면이 분야를 열고 확장하는 데 도움이되었습니다. "이제 우리는 박테리아를 키우고 호흡을 모니터링하고 생리학을 실제로 살펴볼 수있는 방법이 있습니다."
.Rowe는 이미 약간의 성공을 거두었습니다.
2013 년에 그녀는 캘리포니아의 카탈리나 섬을 둘러싼 철분이 풍부한 퇴적물로 미생물 전망을 가졌습니다. 그녀는 작년에 발표 된 연구에서 30 가지 이상의 새로운 종류의 전기 미생물을 확인했습니다. Rowe는“이들은 해양 시스템에서 매우 다양한 미생물 그룹 출신입니다. 그녀의 실험 전에,이 미생물들이 무기 기질에서 전자를 가져갈 수 있다는 것을 아무도 알지 못한다고 그녀는 말했다. "그것은 우리가 기대하지 않았던 것입니다."
어부가 다른 어류를 유치하기 위해 다른 미끼를 사용하는 것처럼, Rowe는 전극을 다른 전압으로 설정하여 풍부한 다양성의 미생물을 끌어냅니다. 그녀는 전류가 바뀌었기 때문에 캐치를 가졌을 때를 알았습니다. 금속 먹는 사람은 미생물이 네거티브 전극에서 전자를 빨아 들일 때 음전 전류를 생성합니다.
.Rowe가 수집 한 다른 종류의 박테리아는 다른 전기 조건에서 번성하여 전자를 먹기위한 다른 전략을 사용 함을 시사합니다. Rowe는“각 박테리아에는 전자 흡수가 발생할 수있는 에너지 수준이 다릅니다. "우리는 그것이 다른 경로를 나타내는 것이라고 생각합니다."
Rowe는 이제 낮은 산도가 낮은 깊은 스프링의 유체에 중점을 둔 추가 미생물을위한 새로운 환경을 찾고 있습니다. 그녀는 또한 El-Naggar의 Gold Mine 원정을 돕고 있습니다. El-Naggar는“이러한 조건에서 삶이 어떻게 작동하는지 이해하려고 노력하고 있습니다. "우리는 이제 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 깊어지고 생각했던 것보다 훨씬 더 많은 것이 있다는 것을 알고 있지만, 그들이 어떻게 생존하는지에 대한 좋은 아이디어는 없습니다."
.El-Naggar는이 분야가 아직 초기 단계에 있다고 강조하면서, 연구자들이 전극으로 개구리를 찔러 근육을 비틀기 위해 현재 상태를 신경 과학 초기에 비유하고 있다고 강조합니다. "기본적인 기계적인 것들이 나오는 데 오랜 시간이 걸렸다"고 그는 말했다. "미생물이 단단한 표면과 상호 작용할 수 있음을 발견 한 지 30 년이 지났습니다."
.이 초기 실험의 현상금을 감안할 때 과학자들은 지구의 얕은 외관 아래에서 번성하는 미생물 다양성의 표면을 긁은 것으로 보입니다. 결과는 지구와 그 너머의 생명의 기원에 대한 단서를 줄 수 있습니다. 생명의 출현에 대한 한 가지 이론은 그것이 생물학적 분자와 촉매 반응을 집중시킬 수있는 미네랄 표면에서 비롯된 것을 시사한다. 새로운 연구는 이론의 격차 중 하나 인 미네랄 표면에서 전자를 세포로 전자하는 메커니즘입니다.
더욱이, 지하 페이스 페이스 메탈 먹는 사람은 다른 세계에서 생명에 대한 청사진을 제공 할 수 있으며, 외계 미생물은 지구의 얕은 외관 아래에 숨겨 질 수 있습니다. NASA의 Astrobiology Institute의 금광 실험이 자금을 지원받는 El-Naggar는“저에게 가장 흥미로운 가능성 중 하나는 화성과 같은 극단적 인 환경에서 살아남을 수있는 생명체를 찾는 것입니다. 예를 들어, 화성은 철분이 풍부하며 표면 아래에 물이 흐릅니다. El-Naggar는“철에서 전자를 집어 들고 물을 가질 수있는 시스템이 있다면 상상할 수있는 신진 대사를위한 모든 성분이 있습니다. 아마도 사우스 다코타 아래에서 1 마일 거리에있는 전 광산은 연구자들이 전자를 먹는 생명을 찾는 가장 놀라운 곳이 아닐 것입니다.
