Bactérias misteriosas criando fios elétricos

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

Para Lars Peter Nielsen, tudo começou com o misterioso desaparecimento do sulfeto de hidrogênio. O microbiologista coletou a lama negra e malcheirosa do fundo do porto de Aarhus, na Dinamarca, jogou-a em grandes provetas de vidro e inseriu microssensores especiais que detectaram mudanças na composição química da lama.

No início do experimento, a composição estava saturada com sulfeto de hidrogênio - fonte do odor e da cor do sedimento. Mas, 30 dias depois, uma faixa de sujeira empalideceu, o que indica a perda de sulfeto de hidrogênio. Eventualmente, os microssensores mostraram que toda a conexão havia desaparecido. Dado o que os cientistas sabiam sobre a biogeoquímica da lama, lembra Nielsen da Universidade de Aarhus, "não fazia sentido algum".

A primeira explicação, disse ele, é que os sensores estavam errados. Mas o motivo acabou sendo muito mais estranho: as bactérias que conectam as células criam cabos elétricos que podem conduzir corrente de até 5 centímetros através da sujeira.

Uma adaptação nunca vista antes em micróbios permite que essas chamadas bactérias cabo superem um grande problema enfrentado por muitos organismos que vivem na lama: a falta de oxigênio. Sua ausência geralmente impede que as bactérias metabolizem compostos como o sulfeto de hidrogênio para alimentos. Mas os cabos, ao ligar micróbios a depósitos ricos em oxigênio, permitem que eles reajam a longas distâncias.

Quando Nielsen descreveu a descoberta pela primeira vez em 2009, seus colegas estavam céticos. Philip Meisman, engenheiro químico da Universidade de Antuérpia, lembra-se de ter pensado: "Isso é um disparate completo". Sim, os pesquisadores sabiam que as bactérias podiam conduzir eletricidade, mas não nas distâncias sugeridas por Nielsen. “Era como se nossos próprios processos metabólicos pudessem afetar uma distância de 18 quilômetros”, diz o microbiologista Andreas Teske, da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill.

Mas quanto mais os pesquisadores procuraram por lama "eletrificada", mais a encontraram tanto em água salgada quanto em água doce. Eles também identificaram um segundo tipo de micróbio elétrico amante da sujeira: bactérias nanofio, células individuais que desenvolvem estruturas de proteínas que podem mover elétrons em distâncias mais curtas.

Esses micróbios nanofios são encontrados em todos os lugares, inclusive na boca humana

As descobertas forçam os pesquisadores a reescrever livros didáticos; repensar o papel das bactérias da lama no processamento de elementos-chave como carbono, nitrogênio e fósforo; e revisar como eles afetam os ecossistemas aquáticos e as mudanças climáticas.

Os cientistas também estão procurando aplicações práticas, explorando o potencial de bactérias contendo cabos e nanofios para combater a poluição e dispositivos eletrônicos de energia. “Estamos vendo muito mais interações dentro dos micróbios e entre eles usando eletricidade”, diz Meisman. "Eu chamo isso de biosfera elétrica."

A maioria das células prosperam pegando elétrons de uma molécula, um processo chamado oxidação, e transferindo-os para outra molécula, geralmente oxigênio, chamada redução. A energia adquirida com essas reações governa outros processos vitais. Em células eucarióticas, incluindo a nossa, essas reações "redox" ocorrem na membrana interna da mitocôndria, e as distâncias entre elas são minúsculas - apenas micrômetros. É por isso que tantos pesquisadores duvidaram da afirmação de Nielsen de que as bactérias dos cabos movem elétrons através de uma camada de sujeira do tamanho de uma bola de golfe.

O desaparecimento do sulfeto de hidrogênio foi a chave para provar isso. As bactérias formam um composto na lama, decompondo os restos das plantas e outros materiais orgânicos; em depósitos mais profundos, o sulfeto de hidrogênio se acumula devido à falta de oxigênio, o que ajuda outras bactérias a quebrá-lo. No entanto, o sulfeto de hidrogênio ainda desapareceu nos béqueres da Nielsen. Além disso, apareceu uma tonalidade enferrujada na superfície da sujeira, o que indicava a formação de óxido de ferro.

Acordando uma noite, Nielsen deu uma explicação estranha: e se as bactérias enterradas na lama completassem a reação redox, de alguma forma contornando as camadas pobres em oxigênio? E se, em vez disso, eles usassem o abundante suprimento de sulfeto de hidrogênio como um doador de elétrons e então direcionassem os elétrons para a superfície rica em oxigênio? Lá, no processo de oxidação, forma-se ferrugem se houver ferro.

Descobrir o que carrega esses elétrons tem se mostrado difícil. Primeiro, Niels Riesgaard-Petersen da equipe de Nielsen teve que descartar uma possibilidade mais simples: as partículas de metal no sedimento carregam elétrons para a superfície e causam a oxidação. Ele conseguiu isso inserindo uma camada de contas de vidro que não conduzem eletricidade para um pilar de sujeira. Apesar desse obstáculo, os pesquisadores ainda encontraram uma corrente elétrica movendo-se pela lama, sugerindo que as partículas de metal não eram condutoras.

Para ver se um cabo ou fio carregava elétrons, os pesquisadores usaram fio de tungstênio para fazer um corte horizontal na coluna de lama. A corrente foi cortada, como se um fio tivesse sido cortado. Outro trabalho estreitou o tamanho do condutor, sugerindo que ele deveria ter pelo menos 1 micrômetro de diâmetro. “Esse é o tamanho normal das bactérias”, diz Nielsen.

Em última análise, as micrografias eletrônicas revelaram um candidato provável: fibras bacterianas longas e finas que apareceram em uma camada de contas de vidro inseridas em béqueres cheios de lama do porto de Aarhus. Cada filamento consistia em uma pilha de células - até 2.000 - encerradas em uma membrana externa estriada. No espaço entre esta membrana e as células empilhadas umas sobre as outras, uma pluralidade de "fios" paralelos esticava o fio em todo o seu comprimento. A aparência semelhante a um cabo inspirou o nome comum do micróbio.

Meisman, um ex-cético, foi rapidamente convertido. Pouco depois de Nielsen anunciar sua descoberta, Meismann decidiu investigar uma de suas próprias amostras de lama marinha. “Notei as mesmas mudanças de cor no sedimento que ele viu”, lembra Meisman. "Foi orientação da Mãe Natureza levar isso mais a sério."

Sua equipe começou a desenvolver ferramentas e métodos para pesquisa microbiana, às vezes trabalhando em conjunto com o grupo de Nielsen. Foi difícil ir. Os filamentos bacterianos tendem a se deteriorar rapidamente após o isolamento e os eletrodos padrão para medir correntes em pequenos condutores não funcionam. Mas, uma vez que os pesquisadores aprenderam a escolher um único filamento e anexar rapidamente um eletrodo individual, “vimos uma condutividade realmente alta”, diz Meisman. Os cabos ativos não podem competir com os fios de cobre, disse ele, mas eles combinam com os condutores usados em painéis solares e telas de telefones celulares, bem como os melhores semicondutores orgânicos.

Os pesquisadores também analisaram a anatomia da bactéria do cabo. Usando banhos químicos, eles isolaram a casca cilíndrica, descobrindo que ela continha de 17 a 60 fibras paralelas coladas internamente. A concha é a fonte de condução, Meisman e seus colegas relataram no ano passado na Nature Communications. Sua composição exata ainda é desconhecida, mas pode ser à base de proteínas.

“É um organismo complexo”, diz Nielsen, que agora dirige o Centro de Eletromicrobiologia, criado em 2017 pelo governo dinamarquês. Entre os problemas que o centro resolve está a produção em massa de micróbios na cultura. “Se tivéssemos uma cultura pura, seria muito mais fácil” testar ideias sobre o metabolismo celular e o efeito do ambiente na condução, diz Andreas Schramm do centro. As bactérias cultivadas também facilitarão o isolamento dos fios dos cabos e o teste de possíveis aplicações de biorremediação e biotecnologia.

Enquanto os pesquisadores estão intrigando com as bactérias no cabo, outros estão olhando para outro jogador importante na lama elétrica: bactérias baseadas em nanofios que, em vez de dobrar células em cabos, crescem fios de proteína de 20 a 50 nm de comprimento de cada célula.

Tal como acontece com as bactérias dos cabos, a misteriosa composição química dos depósitos levou à descoberta de micróbios de nanofios. Em 1987, o microbiologista Derek Lovley, agora na Universidade de Massachusetts Amherst, tentou entender como o fosfato de águas residuais de fertilizantes - um nutriente que promove a proliferação de algas - é liberado de sedimentos sob o rio Potomac em Washington, DC. trabalhou e começou a arrancá-los da sujeira. Depois de cultivar um, agora chamado Geobacter Metallireducens, ele notou (sob um microscópio eletrônico) que a bactéria havia desenvolvido ligações com minerais de ferro próximos. Ele suspeitou que elétrons eram carregados por esses fios e, finalmente, descobriu que Geobacter orquestrava reações químicas na lama, oxidando compostos orgânicos e transferindo elétrons para minerais. Esses minerais reduzidos então liberam fósforo e outros elementos.

Como Nielsen, Lovely enfrentou ceticismo quando descreveu pela primeira vez seu micróbio elétrico. Hoje, no entanto, ele e outros registraram quase uma dúzia de tipos de micróbios nanofios, encontrando-os em ambientes diferentes da sujeira. Muitos carregam elétrons de e para partículas no sedimento. Mas alguns dependem de outros micróbios para receber ou armazenar elétrons. Esta parceria biológica permite que ambos os micróbios "se envolvam em novos tipos de química que nenhum organismo pode fazer sozinho", diz Victoria Orfan, geobióloga do Instituto de Tecnologia da Califórnia. Enquanto as bactérias do cabo resolvem suas necessidades redox sendo transportadas por longas distâncias para a lama oxigenada, esses micróbios dependem do metabolismo uns dos outros para atender às suas necessidades redox.

Alguns pesquisadores ainda discutem como os nanofios bacterianos conduzem elétrons. Lovley e seus colegas estão convencidos de que a chave são cadeias de proteínas chamadas pilinas, que são compostas de aminoácidos circulares. Quando ele e seus colegas reduziram a quantidade de aminoácidos anelados no pilin, os nanofios se tornaram menos condutores. “Foi realmente incrível”, disse Lovely, porque é geralmente aceito que as proteínas são isolantes. Mas outros acham que essa questão está longe de ser resolvida. Orphan, por exemplo, diz que embora "haja evidências esmagadoras … eu ainda não acho que [a condução do nanofio] seja bem compreendida".

O que está claro é que as bactérias elétricas estão por toda parte. Em 2014, por exemplo, os cientistas descobriram bactérias cabo em três habitats muito diferentes no Mar do Norte: em um pântano de sal das marés, em uma bacia do fundo do mar onde os níveis de oxigênio caem para quase zero em algumas estações e em uma planície lamacenta inundada perto do mar … Costa. (Eles não os encontraram em uma área arenosa habitada por vermes que agitam sedimentos e interrompem cabos.) Em outros lugares, os pesquisadores encontraram evidências de DNA de bactérias-cabo em bacias oceânicas profundas e pobres em oxigênio, áreas de fontes termais e condições frias. derramamentos e manguezais e bancos de marés em regiões temperadas e subtropicais.

Bactérias de cabo também são encontradas em ambientes de água doce. Depois de ler os artigos da Nielsen em 2010 e 2012, uma equipe liderada pelo microbiologista Rainer Meckenstock reexaminou núcleos de sedimentos perfurados durante uma pesquisa de contaminação de águas subterrâneas em Düsseldorf, Alemanha. “Encontramos [as bactérias do cabo] exatamente onde pensávamos que iríamos encontrá-las”, em profundidades onde o oxigênio estava esgotado, lembra Mekenstock, que trabalha na Universidade de Duisburg-Essen.

As bactérias nanofio são ainda mais disseminadas. Os pesquisadores os encontraram em solos, campos de arroz, intestinos profundos e até mesmo em estações de tratamento de esgoto, bem como em sedimentos marinhos e de água doce. Eles podem existir onde quer que biofilmes sejam formados, e a onipresença dos biofilmes é mais uma evidência do grande papel que essas bactérias podem desempenhar na natureza.

A grande variedade de bactérias do lodo elétrico também sugere que desempenham um papel importante nos ecossistemas. Por exemplo, ao prevenir o acúmulo de sulfeto de hidrogênio, as bactérias dos cabos provavelmente tornam a sujeira mais habitável para outras formas de vida. Meckenstock, Nielsen e outros os encontraram nas raízes de ervas marinhas e outras plantas aquáticas que liberam oxigênio, ou perto delas, que liberam oxigênio, que as bactérias provavelmente usam para quebrar o sulfeto de hidrogênio. Isso, por sua vez, protege as plantas do gás tóxico. A parceria "parece muito característica das plantas aquáticas", disse Meckenstock.

Robert Aller, biogeoquímico marinho da Stony Brook University, acredita que as bactérias também podem ajudar muitos invertebrados subaquáticos, incluindo vermes que constroem tocas que permitem que a água oxigenada entre na lama. Ele encontrou bactérias de cabo presas nas laterais dos tubos do verme, provavelmente para que eles pudessem usar o oxigênio para armazenar elétrons. Por sua vez, esses vermes são protegidos do sulfeto de hidrogênio tóxico. "As bactérias tornam [a toca] mais habitável", diz Aller, que descreveu os links em um artigo de julho de 2019 na Science Advances.

Os micróbios também alteram as propriedades da sujeira, diz Saira Malkin, ecologista do Centro de Ciências Ambientais da Universidade de Maryland. "Eles são especialmente eficazes … engenheiros de ecossistema." As bactérias do cabo “crescem como um incêndio”, diz ela; Em recifes de ostras de maré, ela descobriu: Um centímetro cúbico de lama pode conter 2.859 metros de cabos que cimentam as partículas no lugar, possivelmente tornando o sedimento mais resistente a organismos marinhos.

A bactéria também altera a química da sujeira, tornando as camadas próximas à superfície mais alcalinas e as camadas mais profundas mais ácidas, descobriu Malkin. Esses gradientes de pH podem afetar “vários ciclos geoquímicos”, incluindo aqueles associados ao arsênio, manganês e ferro, disse ela, criando oportunidades para outros micróbios.

Como vastas áreas do planeta estão cobertas de lama, dizem os pesquisadores, as bactérias associadas a cabos e nanofios provavelmente terão um impacto no clima global. Bactérias nanofio, por exemplo, podem pegar elétrons de materiais orgânicos como diatomáceas mortas e depois passá-los para outras bactérias que produzem metano, um poderoso gás de efeito estufa. Em várias circunstâncias, as bactérias dos cabos podem reduzir a produção de metano.

Nos próximos anos, “veremos um reconhecimento generalizado da importância desses micróbios para a biosfera”, disse Malkin. Pouco mais de dez anos depois que Nielsen notou o misterioso desaparecimento do sulfeto de hidrogênio da lama de Aarhus, ele diz: "É estonteante pensar sobre o que estamos lidando aqui."

A seguir: um telefone alimentado por fios microbianos?

Os pioneiros dos micróbios elétricos rapidamente pensaram em como usar essas bactérias.“Agora que sabemos que a evolução foi capaz de criar fios elétricos, seria uma pena se não os usássemos”, diz Lars Peter Nielsen, microbiologista da Universidade de Aarhus.

Uma aplicação possível é a detecção e controle de poluentes. Os micróbios dos cabos parecem prosperar na presença de compostos orgânicos como o petróleo, e Nielsen e sua equipe estão testando a possibilidade de que a abundância de bactérias dos cabos sinalize a presença de poluição não descoberta nos aquíferos. As bactérias não degradam diretamente o óleo, mas podem oxidar o sulfeto produzido por outras bactérias oleosas. Eles também podem ajudar a limpar: a chuva se recupera mais rápido da contaminação do petróleo bruto quando é colonizada por uma bactéria de cabo, outro grupo de pesquisa relatou em janeiro no jornal Water Research. Na Espanha, uma terceira equipe está investigando se a bactéria nanofio pode acelerar a limpeza de áreas úmidas poluídas. E mesmo antes de as bactérias baseadas em nanofios serem elétricas, elas mostraram a promessa de descontaminar resíduos nucleares e aquíferos contaminados com hidrocarbonetos aromáticos como benzeno ou naftaleno.

Bactérias elétricas também podem dar origem a novas tecnologias. Eles podem ser geneticamente modificados para alterar seus nanofios, que podem então ser cortados para formar a espinha dorsal de sensores sensíveis ao desgaste, de acordo com Derek Lovley, um microbiologista da Universidade de Massachusetts (UMass), Amherst. "Podemos projetar nanofios e adaptá-los para ligar especificamente compostos de interesse." Por exemplo, na edição de 11 de maio Lovely da Nano Research, o engenheiro da UMass Jun Yao e seus colegas descreveram um sensor baseado em nanofios que detecta amônia em concentrações necessárias para aplicações agrícolas, industriais, ambientais e biomédicas.

Criados como um filme, os nanofios podem gerar eletricidade a partir da umidade do ar. Os pesquisadores acreditam que o filme gera energia quando um gradiente de umidade ocorre entre as bordas superior e inferior do filme. (A borda superior é mais suscetível à umidade.) À medida que os átomos de hidrogênio e oxigênio da água se separam devido ao gradiente, a carga é gerada e os elétrons fluem. Yao e sua equipe relataram na Nature em 17 de fevereiro que tal filme poderia criar energia suficiente para acender um diodo emissor de luz, e 17 desses dispositivos conectados juntos poderiam alimentar um telefone celular. A abordagem é “uma tecnologia revolucionária para gerar energia renovável, limpa e barata”, diz Qu Lianti, cientista de materiais da Universidade Tsinghua. (Outros são mais cautelosos, observando que as tentativas anteriores de extrair energia da umidade usando grafeno ou polímeros não tiveram sucesso.)

Em última análise, os pesquisadores esperam aproveitar as habilidades elétricas das bactérias sem ter que lidar com micróbios exigentes. Catch, por exemplo, convenceu o laboratório comum e a bactéria industrial Escherichia coli a fazer nanofios. Isso deve facilitar para os pesquisadores a produção em massa das estruturas e o estudo de suas aplicações práticas.