Představte si, že díky vodivým vláknům tvořeným bakteriemi by bylo možné do těla instalovat implantáty, které se následně úplně rozloží.
Že je to sci-fi? Díky objevu vědců z Oregon State University jsme této vizi budoucnosti zase o kousíček blíž. Objevili totiž bakterii, která nejenže spolupracuje v uspořádání tisíců bakterií, které jsou za sebe zapojeny do dlouhých vláken… ale navíc k tomu ještě využívá elektrický proud! Bakterie vlastně vytvoří jeden dlouhý vodič.
Nejde však o první takový objev! Bakterie, které se umí pospojovat za sebe, propojit se vnitřními strukturami a předávat si tak elektrický náboj byly poprvé objeveny v roce 2010. Říká se jim „kabelové bakterie“.
Aby něco takového vůbec zvládly, propojí se konci svých podlouhlých tyčinkovitých buněk a spojí se vnější membránou. Tu vnitřní, na hranicích spojů úplně zruší. Potom podél svého nově vytvořeného “těla” – tedy vnitřkem vzniklého vlákna, natáhnou síť proteinů bohatých na nikl a síru, která je schopná přenášet elektrický náboj v podobě elektronů. K čemu jim to ale je?
Cílem tohoto pozoruhodného spojenectví bakterií není nic jiného, než propojit prostředí, které jsou od sebe příliš daleko. Kabelové bakterie se vyskytují ve vodních sedimentech, jejichž horní vrstva je bohatá na kyslík, zatímco spodní zase na různé biogenní prvky. Zde bakterie rozkládají materiál, kterým se živí. Při rozkladu ale vznikají elektrony, které by v prostředí bez kyslíku nebylo kam odevzdat. Právě proto mají kabelové bakterie vodivou cestu, kudy elektron může proputovat až nahoru ke kyslíku. Ten už je schopen elektron přijmout. A teď zpátky k našemu vodivému nováčkovi – bakterii, kterou letos objevili na Oregon state university!
Nově objevená bakterie byla pojmenována „Candidatus Electrothrix yaqonensis“ a oproti již známým kabelovým bakteriím má zásadní výhodu – je o hodně vodivější! Právě vodivost je vlastnost, kde pro budoucí biotechnologické aplikace platí, že čím vyšší, tím lepší. Zároveň tato bakterie kombinuje genetický základ sladkovodních a mořských kabelových bakterií, což umožní lépe prozkoumat, jak se tyto bakterie vyvíjejí.
A potenciální aplikace? Právě například samovstřebatelné implantáty! Další odvážnou myšlenkou je využívat tyto bakterie k přeměně chemické energie přímo na elektrickou.
Zatím jsme na začátku, ale biotechnologie díky těmto mikroskopickým vodičům nabírá nový směr!
Zdroj: SCIENCE ON | platform for connecting teachers, science enthusiasts, science promoters and scientists
Science ON je skupina, která se zaměřuje na popularizaci vědy a inovativní přístupy ve vzdělávání. Tvoří ji tým lektorů a performerů s bohatými zkušenostmi v oblasti tvorby science show, uvádění programů pro školy, výuky na základních a středních školách, vzdělávání lektorů a učitelů, vedení příměstských táborů a zájmových skupin. Cílem skupiny Science ON je využívat moderní technologie, projektovou výuku a zážitkovou pedagogiku k efektivnímu a zábavnému přenosu vědeckých poznatků a k inspiraci učitelů ve vzdělávání.
Další články a informace:
SCIENCEMAG | Scientists Discover New Electricity-Conducting Species, Honor Tribe in Naming
Cable bacteria, known for their distinctive filamentous structure composed of rod-shaped cells connected end-to-end, possess a unique feature: long conductive fibers embedded within their outer membranes that facilitate electron transport. These fibers enable the bacteria to establish an electrical connection between electron donors in deeper sediment layers, such as sulfide, and electron acceptors near the surface, like oxygen or nitrate. This remarkable mechanism allows the bacteria to efficiently drive redox reactions across spatial gradients that are often separated by centimeters, an adaptation that significantly enhances their survival in sedimentary ecosystems.
The newly discovered species exhibits a morphological and genomic uniqueness that distinguishes it from previously characterized cable bacteria. Unlike other species within the Ca. Electrothrix genus, Ca. Electrothrix yaqonensis features pronounced surface ridges up to three times wider than those found in other cable bacteria. These ridges are not merely structural quirks but house highly conductive fibers composed of nickel-based molecules—a feature that is as rare as it is fascinating in the microbial world. This distinctive anatomy suggests an evolutionary adaptation aimed at optimizing electron conductivity and metabolic efficiency under specific environmental conditions.
Genomic analysis of Ca. Electrothrix yaqonensis reveals a blend of metabolic pathways that bridge the previously known genera Ca. Electrothrix and Ca. Electronema, suggesting it occupies an early evolutionary branch within the Electrothrix clade. This phylogenetic position can provide critical insights into how cable bacteria diversified their electron transport capabilities and adapted to a variety of ecological niches. Such knowledge could help unravel the evolutionary pressures that shaped these complex conduction systems and inspire bioengineering efforts to emulate their functionality.
Electron transport in cable bacteria operates through reduction-oxidation (redox) reactions, where electrons generated during the oxidation of sulfide deep within sediments are transported to the surface, where they are accepted by oxygen or nitrate. This long-range electron conduction system prevents the build-up of toxic compounds like sulfide in sediment layers and influences the cycling of nutrients essential for aquatic ecosystems. The metabolic efficiency afforded by this electron transport capacity not only benefits the bacteria but also has broader geochemical implications in sediment environments.
The presence of nickel-containing conductive fibers within Ca. Electrothrix yaqonensis is of particular scientific interest. Nickel is a transition metal known for its redox versatility and ability to facilitate electron transfer processes. Unlike the more commonly studied iron-containing cytochromes typically found in microbial electron transport chains, these nickel-based proteins in cable bacteria represent an alternative biochemical strategy for conduction. Understanding the structure-function relationship of these fibers at the molecular level could open up entirely new avenues for the design of bioinspired conductive materials.
From a practical standpoint, the unique electron transport capabilities of these cable bacteria could be harnessed for environmental cleanup technologies. Their natural conductive filaments can facilitate the transfer of electrons required to reduce and neutralize various sediment-bound pollutants. For example, they could enhance the bioremediation of heavy metals or organic contaminants by accelerating redox reactions that convert harmful substances into inert forms. This intrinsic connection between microbial metabolism and sediment chemistry positions cable bacteria as vital players in maintaining environmental health.
Moreover, the scalable biological conductivity inherent to cable bacteria presents exciting possibilities in the emerging field of bioelectronics. Harnessing or mimicking the nickel-based conductive fibers found in Ca. Electrothrix yaqonensis could inspire new generations of biohybrid devices that transcend traditional silicon-based electronics. Such devices could operate in aqueous or biological environments, enabling minimally invasive medical sensors, real-time environmental monitoring systems, or novel energy storage solutions rooted in biological principles.
The discovery of Ca. Electrothrix yaqonensis also resonates culturally. The species’ name honors the Yaqona people, indigenous inhabitants whose ancestral lands encompass Yaquina Bay, where the bacteria were first isolated. This naming serves as a tribute to the long-standing relationship between native communities and their natural environment, and reflects a growing recognition of indigenous contributions to ecological knowledge and environmental stewardship.
This research was led by Cheng Li, who conducted the work as a postdoctoral scholar at Oregon State University and will soon return as an assistant professor in the College of Agricultural Sciences. Collaborators included Clare Reimers, a distinguished emerita professor at OSU, as well as scientists from the University of Antwerp, Delft University of Technology, and the University of Vienna. Their multi-institutional effort was supported by agencies like the Office of Naval Research, Oregon Sea Grant, and numerous European research foundations.
The team’s discovery was published in the latest volume of Applied and Environmental Microbiology, detailing the extensive observational studies and genomic analyses that underpin their findings. This work marks a significant step forward in understanding the complex physiology of cable bacteria and highlights the potential biotechnological applications of microbial electron transport mechanisms.
The identification of Ca. Electrothrix yaqonensis underscores the power of interdisciplinary collaboration and modern molecular techniques to uncover novel life forms with transformative potential. As researchers continue to explore the diversity of cable bacteria in various ecosystems, they anticipate uncovering more species with unique conductive properties and ecological roles, each contributing to the intricate web of life beneath our feet.
In sum, this discovery presents a remarkable confluence of microbiology, bioelectrochemistry, and environmental science, inviting us to rethink the boundaries between biological and electronic systems. Ca. Electrothrix yaqonensis is not only a testament to microbial ingenuity but a promising blueprint for future technologies that marry living systems with human innovation in unprecedented ways.
Podcast & blog by Pepik Hipik & Knižní kočka 