Бактерии переработали ионы меди в стабильные атомы

Биологи обнаружили, что бактерии из бразильских шахт научились преобразовывать токсичные ионы меди в стабильные атомы. Ученые предполагают, что эти микроорганизмы помогут производить одноатомную медь более дешевым и менее токсичным способом, и к тому же очищать окружающую среду от загрязнения ионами меди. Работа опубликована в Science Advances.

Медь – важный в науке и производстве элемент: магнетические, оптические, противомикробные и каталитические свойства делают ее привлекательным материалом для производства фотоэлектрохимических ячеек, сенсоров, солнечных батарей, чернил и антимикробных покрытий. Исследования показывают, что некоторые микроорганизмы могут производить и накапливать неорганические наночастицы меди. Некоторые из работ описывают образование в бактериальных клетках наночастиц меди размером от 10 до 40 нанометров. Однако в научной литературе еще пока не задокументированы примеры появления в клетках одноатомной меди, размер частиц которой варьирует от 170 до 179 пикометров.

В то же время, применение одноатомной меди в катализе, энергетике и легировании (добавлении в сплав дополнительных веществ, той же меди) повышает эффективность использования металла. Однако производство одноатомной меди все еще остается трудной задачей: это сложный процесс синтеза с использованием токсичных химических соединений. Альтернативные методы, например осаждение из паровой фазы, распыление и фемтосекундная лазерная абляция, также достаточно сложны, а их эффективность остается невысокой. 

Ученые из Университета Сан-Паулу и Хьюстонского университета обнаружили в шахтах Бразилии бактерию, которая может синтезировать и накапливать отдельные атомы меди. Способность бактерии рода Bacillus превращать ионы меди в атомарную медь сначала заметили из-за смены цвета питательной среды с добавлением сульфата меди: за 48 часов среда из зеленой превратилась в красную. Появление одноатомной меди подтвердилось при помощи просвечивающей электронной микроскопии с атомным разрешением: удалось рассмотреть даже отдельные атомы. Радиус более 75 процентов частиц находился в диапазоне 1,89±0,19 ангстремов, что совпадает с теоретическим размером атомов меди (1,7-1,85 ангстремов) с поправкой на разрешение микроскопа (70 пикометров). Ученые предположили, что частицы большего размера – просто накладывающиеся друг на друга атомы меди.

Исследователи изучили распределение элементов в бактериальных клетках при помощи энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Медь оказалась равномерно распределена в клетках. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия указала на содержание в бактериях атомарной меди Cu⁰, а не ионов Cu²⁺ или оксида меди CuO.

Затем авторы работы решили выяснить, какие белки позволяют штамму Bacillus sp. производить одноатомную медь. Ученые сравнили состав белков, которые синтезировали бактерии, растущие в среде с сульфатом меди и без него. Те бактерии, которые росли в присутствии меди, экспрессировали 145 белков, которые не наблюдались у клеток в обычной среде. Большинство (102) из этих протеинов относились к путям первичного обмена веществ – исследователи предположили, что медь негативно влияет на клетки и заставляет бактерии производить больше энергии, чтобы выжить в условиях металлического стресса. Еще 15 белков помогали бактериям противостоять стрессу, и 3 – транспортировать медь в клетки. Оставшиеся 11 белков как раз могли участвовать в процессе синтеза одноатомной меди. В основном это были редуктазы, которые, вероятно, восстанавливали сульфат, оставляя токсичные ионы Cu²⁺ в клетках. Также в исследуемых бактериях обнаружили NADH-зависимые бутанолдегидроназы – возможно, именно они и участвуют напрямую в появлении одноатомной меди в клетках. Кроме того, в этом штамме Bacillus sp. сильно экспрессировался один белок из группы ферритинов. Ранее было показано, что белки этой группы способствуют образованию неорганических частиц кобальта, никеля, серебра, железа и других металлов в клетках. Авторы работы предположили, что ферритин в сочетании с другими экспрессируемыми в штамме Bacillus sp. белками может быть непосредственно связан с появлением в клетках одноатомной меди.

Исследователи считают, что такие бактерии могут стать хорошим способом производить одноатомную медь в больших количествах для применений в науке, технологиях и медицине, а также очищать окружающую среду от токсичных ионов меди.

Ранее ученые проверили, кто из бактерий окажется лучшим «шахтером» в условиях космоса: эффективнее всего добыли металлы из базальта бактерии Sphingomonas desiccabilis. Из всех редкоземельных металлов этим бактериям лучше всего поддались тяжелые – гадолиний и лютеций.

Вера Сысоева