آیا می‌دانستید که باکتری‌های موجود در دنیا با بازدم الکترون‌های اضافی تنفس می‌کنند و موجب ایجاد یک شبکه الکتریکی ذاتی و طبیعی می‌شوند؟ محققان دانشگاه “ییل” در یک مطالعه جدید کشف کرده‌اند که نور می‌تواند این فعالیت الکترونیکی را در باکتری‌های زیست‌لایه افزایش دهد و رسانایی الکتریکی را تا ۱۰۰ برابر افزایش دهد.

زیست لایه (Biofilm) اجتماعی از سلول‌های میکروارگانیسمی است که به یک سطح متصل شده‌اند و توسط مواد پلیمری خارج سلولی پوشیده شده‌اند. گاهی زیست لایه را می‌توان به عنوان یک استراتژی دانست که بعضی از میکروارگانیسم‌ها از آن استفاده می‌کنند تا بتوانند خود را از اثرات و نیرو‌های زیانباری که در محیط طبیعی و بدن میزبان است، حفظ کنند و اینگونه شانس بقای خود را افزایش دهند.

زیست لایه توسط گروه‌های مختلفی از باکتری‌ها ساخته می‌شود و در پزشکی و صنعت از اهمیت بالایی برخوردارند.

جریان نوری که ساعت‌ها دوام می‌آورد

نیکیل ملوانکار، استادیار بیوفیزیک مولکولی و بیوشیمی در مؤسسه علوم میکروبی دانشگاه ییل و نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: افزایش شدید جریان در نانوسیم‌هایی که در معرض نور قرار می‌گیرند، یک جریان نوری پایدار و قوی را نشان می‌دهد که برای ساعت‌ها باقی می‌ماند.

اکنون دانشمندان به دنبال استفاده حداکثری از این کشف جدید و یافتن کاربرد‌هایی برای آن، مانند حذف زباله‌های خطرناک زیستی و ایجاد منابع سوخت تجدیدپذیر جدید هستند.

معمولاً موجودات زنده هنگام تبدیل مواد مغذی به انرژی، اکسیژن تنفس می‌کنند تا از شر الکترون‌های اضافی خلاص شوند. با این حال، باکتری‌های خاکی که در اعماق اقیانوس‌ها زندگی می‌کنند یا طی میلیارد‌ها سال در زیر زمین مدفون شده‌اند، به این اکسیژن ارزشمند دسترسی ندارند؛ بنابراین آن‌ها راهی را برای تنفس با “تنفس مواد معدنی” از طریق رشته‌های پروتئینی ریز به نام نانوسیم ابداع کردند.

ملوانکار می‌گوید: هیچ کس نمی‌داند چگونه این اتفاق رخ می‌دهد.تیم تحقیقاتی به سرپرستی محقق فوق‌دکتری “ینس نیو” و “کاترین شیپس” در این مطالعه جدید دریافتند که این فرآیند توسط یک پروتئین حاوی فلز به نام “سیتوکروم OmcS” انجام می‌شود که نانوسیم‌های باکتریایی را می‌سازد که ابزار‌هایی هستند که باکتری‌ها برای تنفس استفاده می‌کنند.

“سیتوکروم OmcS” اساساً به عنوان یک رسانای نور طبیعی عمل می‌کند که انتقال کارآمد الکترون را هنگامی که زیست‌لایه‌ها در معرض نور قرار می‌گیرند، تسهیل می‌کند.

یک شکل کاملاً متفاوت از فتوسنتز

ملوانکار می‌گوید: این شکل کاملاً متفاوتی از فتوسنتز است. در اینجا، نور به دلیل انتقال سریع الکترون بین نانوسیم‌ها، تنفس باکتری‌ها را تسریع می‌کند.

اکنون محققان در حال بررسی هستند که چگونه می‌توان از این برای تحریک رشد در الکترونیک نوری و حتی جذب متان استفاده و به مبارزه با گرمایش جهانی کمک کرد.

این‌ها تنها باکتری‌هایی نیستند که خواص مفیدی دارند. در ماه اوت سال ۲۰۱۸ نیز تیمی از میکروبیولوژیست‌ها از دانشگاه ایالتی واشنگتن، باکتری‌هایی را در حوضه آبفشان پارک ملی یلواستون پیدا کردند که می‌توانست با عبور دادن الکترون‌ها به فلزات یا مواد معدنی بیرونی، با استفاده از مو‌های سیم‌مانند بیرون زده، الکتریسیته را تنفس کند.

همین طور که باکتری‌ها الکترون‌ها را مبادله می‌کنند، جریانی از الکتریسیته تولید می‌کنند که احتمالاً می‌تواند برای کاربرد‌های نیازمند به انرژی کم مورد استفاده قرار گیرد. در تئوری، تا زمانی که باکتری‌ها سوخت دارند، می‌توانند به طور مداوم انرژی تولید کنند.

سپس در ماه ژوئن سال ۲۰۲۲، تیمی از محققان دانشگاه بینگهامتون راهی برای تامین انرژی باتری‌های زیستی برای هفته‌ها با استفاده از ۳ نوع باکتری که در اتاقک‌های جداگانه قرار داده شده بودند، پیدا کردند.

این اکتشافات نشان می‌دهد که طبیعت می‌تواند راه‌حل‌های بسیاری برای برخی از حل‌ناپذیرترین مسائل امروزی ما ارائه دهد و تنها چیزی که لازم است، کمی تحقیق و توسعه در مسیر درست است.

یافته‌های این مطالعه جدید در مجله Nature Communications منتشر شده است.