電気を使わずに暮らす新しい生命が見つかった

昨年、生物物理学者の Moh El-Naggar と大学院生の Yamini Jangir は、サウスダコタ州の Black Hills の地下にある古い金鉱山に突入しました。最近ブラック ヒルズに巡礼するほとんどの科学者とは異なり、エル ナガーとジャンギルは亜原子粒子を探しにそこにいたわけではありません。彼らは生命を求めてやって来ました。

地下 1 マイルの暗闇の中で、2 人はさびた金属パイプを探して鉱山の通路網を横断しました。彼らはパイプの古代の水の一部を吸い上げ、それを容器に向け、さまざまな電極を挿入しました。彼らは、この電流が獲物を引き寄せることを望んでいました.

研究者が探していた電気を食べる微生物は、科学者が理解し始めたばかりのより大きなクラスの生物に属しています。彼らはほとんど未知の世界に生息しています。深海の通気孔の泡立つ大釜。惑星の地表の奥深くにあるミネラル豊富な鉱脈。海洋堆積物は、深海底のわずか数インチ下にあります。微生物は、ほとんど無視されてきた生命の一部を表しています。その理由の 1 つは、微生物の奇妙な生息地が研究室での増殖を信じられないほど困難にしているからです。

しかし、初期の調査では、潜在的な微生物の恵みが示唆されています。南カリフォルニア沖のカタリナ島近くの海底から採取された微生物の最近のサンプリングにより、鉱物や金属を食べたり呼吸したりすることによって電子を消費または放出する驚くべき種類の微生物が明らかになりました。 El-Naggar のチームはまだ金鉱のデータを分析していますが、最初の結果は Catalina の調査結果を反映していると彼は言います。これまでのところ、科学者が適切な場所 (ミネラルが多く酸素が少ない場所) でこれらの電子を食べる生物を探すときはいつでも、それらを見つけています。

電子を食べる生物の数が増えるにつれ、科学者たちはそれらがどのように機能するのかを理解し始めています。微生物はどのようにして金属片から電子を消費したり、使い終わったときに電子を環境に戻したりするのでしょうか?昨年発表された研究では、これらの微生物の 1 つが電気的な獲物を捕まえて消費する方法が明らかになりました。また、まだ発表されていない研究によると、金属を食べる生物の中には、電子を膜を介して直接輸送するものがあることが示唆されています。これは、かつて不可能と考えられていた偉業です。

ロックイーターズ

電気を食べるのは奇妙に思えますが、電流の流れは生命の中心です。すべての生物は、エネルギーを生成および保存するために電子源を必要とします。また、仕事が終わったら電子を放出できなければなりません。ノーベル賞を受賞した生理学者のアルバート セント ジェルジは、生命に対するこの必要最低限​​ の見方を説明する際に、「生命とは休息の場所を探している電子に他ならない」と述べています。

人間や他の多くの生物は、食べ物から電子を受け取り、呼吸で排出しています。 El-Naggarらが成長させようとしている微生物は、鉄、硫黄、マンガンなどの無機物質からエネルギーを得る岩石独立栄養生物、またはロックイーターと呼ばれるグループに属しています。適切な条件下では、電気だけで生き残ることができます。

電子を摂取する微生物の明らかな能力 (直接電子伝達として知られている) は、生物物理学の基本的なルールに反しているように見えるため、特に興味深いものです。細胞を取り囲む脂肪膜は絶縁体として機能し、かつては電子が通過できないと考えられていた電気的に中性のゾーンを作り出します。南カリフォルニア大学の地球生物学者であるケネス・ニールソンは、ロンドンの応用微生物学会での講演で、「細菌が細胞の内部から電子を取り出して外部に移動させるとは誰も信じたくなかった」と述べた.昨年。

電子供与体に触発された科学者たちは、微生物も逆のことを行い、エネルギー源として電子を直接摂取できるのではないかと考え始めました。研究者たちは、メタンを生成することで知られるメタン生成菌と呼ばれる微生物群に焦点を当てて調査を行いました。ほとんどのメタン生成菌は厳密に金属を食べるわけではありません。しかし 2009 年、ペンシルバニア州立大学の環境エンジニアであるブルース ローガンと共同研究者は、メタン生成菌が電極からのエネルギーのみを使用して生き残ることができることを初めて示しました。研究者らは、おそらく、電子生産者が細胞壁を横切って電子を往復させるために使用するものと同様の分子ブリッジを介して、微生物が直接電子を吸い上げていると提案した。しかし、彼らには直接的な証拠がありませんでした.

そして昨年、スタンフォード大学の微生物学者であるアルフレッド・スポーマンと共同研究者たちは、ローガンの理論に穴を開けました。彼らは、これらの生物が裸の電子を食べることなく電極上で生き残る方法を発見しました.

スポルマンが研究した微生物 Methanococcus maripaludis 、電極の表面にある酵素を排出します。この酵素は、電極からの電子と水からの陽子を対にして水素原子を生成します。水素原子は、メタン生成菌の間で確立された食物源です。ミネソタ大学ツインシティーズ校の微生物学者であるダニエル・ボンドは、「彼らは伝導経路を持っているのではなく、酵素を使用しています。 「導電性材料でブリッジを構築する必要はありません。」

微生物は裸の電子を食べていませんが、結果はそれ自体が驚くべきものです.ほとんどの酵素は細胞内で最もよく機能し、細胞外で急速に分解されます。 「ユニークなのは、酵素が電極の表面に[集まった]ときの安定性です」とスポーマンは言いました。過去の実験では、これらの酵素が細胞外で活性化するのは数時間だけであることが示唆されていますが、「しかし、6 週間活性化することが示されました」。

しかし、スポルマンらは、メタン生成菌や他の微生物が電気を直接吸収できると今でも信じている。コーネル大学の環境技術者であり、国際微生物電気化学技術協会の会長であるラーガス・アンジェエント氏は、「これは直接電子移動の代替メカニズムであり、直接電子移動が存在しないという意味ではありません」と述べています。スポルマン氏によると、彼のチームは裸の電子を取り込める微生物をすでに発見しているという。しかし、彼らはまだ詳細を公開していません.

火星の微生物

実験室で培養できるのは、地球上のすべての微生物のごく一部 (おそらく 2%) だけです。科学者たちは、従来の培養システムではなく電極上で微生物を増殖させるこれらの新しいアプローチが、これまで培養が不可能だった多くの微生物を研究する方法を提供することを望んでいます.

「鉱物の代理として電極を使用することで、この分野を開拓し、拡大することができました」と、El-Naggar と協力している USC のポスドク研究者である Annette Rowe は述べています。 「これで、バクテリアを増殖させて呼吸を監視し、その生理機能を実際に観察する方法ができました。」

Rowe はすでにある程度の成功を収めています。

2013 年、彼女はカリフォルニアのカタリナ島を取り囲む鉄分の豊富な堆積物への微生物探査旅行に出かけました。彼女は、昨年発表された研究で、少なくとも 30 種類の新しい電気微生物を特定しました。 「それらは、海洋系で非常に一般的な微生物の非常に多様なグループに属しています」とロウは言いました。彼女の実験の前は、これらの微生物が無機基質から電子を取り込むことができるとは誰も知らなかった. 「これは私たちが予期していなかったことです。」

漁師がさまざまなルアーを使ってさまざまな魚を引き寄せるように、Rowe は電極をさまざまな電圧に設定して、微生物の豊富な多様性を引き出す。彼女は、電流が変化したため、キャッチがあったことを知っていました — 微生物が陰極から電子を吸い込むため、金属を食べる人は負の電流を生成します.

Rowe が収集したさまざまな種類の細菌は、さまざまな電気的条件下で増殖し、電子を食べるためにさまざまな戦略を採用していることを示唆しています。 「それぞれのバクテリアは、電子の取り込みが起こるエネルギーレベルが異なっていました」とロウは言いました。 「これは異なる経路を示していると考えています。」

ロウは現在、酸性度の低い深い泉からの液体に焦点を当てて、追加の微生物を求めて新しい環境を探しています。彼女はまた、エル・ナガーの金鉱遠征を手伝っています。 「私たちは、これらの条件下で生命がどのように機能するかを理解しようとしています」とエル・ナガーは言いました。 「私たちは今、生命が私たちが考えていたよりもはるかに深く、そして私たちが考えていたよりもはるかに多くのものがあることを知っていますが、彼らがどのように生き残っているかについては良い考えを持っていません.」

El-Naggar は、この分野はまだ初期段階にあることを強調し、現在の状態を神経科学の黎明期になぞらえ、研究者がカエルを電極で突いて筋肉を収縮させたときのことを例に挙げています。 「基本的なメカニズムが明らかになるまでには長い時間がかかりました」と彼は言いました。 「微生物が固体表面と相互作用できることを発見してから、わずか 30 年しか経っていません。」

これらの初期の実験の恩恵を考えると、科学者は惑星の浅い外面の下で繁栄する微生物の多様性の表面をかじっただけのようです.この結果は、地球上およびそれ以外の生命の起源に手がかりを与える可能性があります。生命の出現に関する 1 つの理論は、生物分子が濃縮され、触媒反応が行われた可能性がある鉱物の表面で発生したことを示唆しています。新しい研究は、理論のギャップの 1 つを埋める可能性があります — 鉱物の表面から細胞に電子を輸送するメカニズムです.

さらに、地下の金属を食べる生物は、他の世界の生命の設計図を提供する可能性があり、地球の浅い外面の下に外来微生物が隠されている可能性があります。 「私にとって、最もエキサイティングな可能性の 1 つは、火星のような極端な環境で生き残る可能性のある生命体を見つけることです」と、NASA のアストロバイオロジー研究所が金鉱山の実験に資金を提供している El-Naggar 氏は述べています。たとえば、火星は鉄分が豊富で、その表面の下には水が流れています。 「鉄から電子を受け取り、水分を摂取できるシステムがあれば、考えられる代謝のすべての要素がそろっています」と El-Naggar 氏は述べています。おそらく、サウスダコタ州の地下 1 マイルにあるかつての鉱山は、研究者が電子を食べる生物を発見する最も驚くべき場所ではないでしょう.