بكتيريا آكلة للكهرباء: اكتشاف كائنات دقيقة تعيش على التيار الكهربائي يتحدى نظريات الأيض ويفتح فرصًا جديدة في التكنولوجيا الحيوية

بكتيريا آكلة للكهرباء: اكتشاف كائنات دقيقة تعيش على التيار الكهربائي يتحدى نظريات الأيض ويفتح فرصًا جديدة في التكنولوجيا الحيوية. كشفت دراسة حديثة في مجلة Nature Communications عن وجود بكتيريا تستخدم الإلكترونات مباشرة من مصادر كهربائية خارجية للنمو والأيض، وهي ظاهرة تُعرف بالإلكتروتروفية. نجح باحثون من جامعة جنوب كاليفورنيا في عزل وتوصيف سلالة جديدة، 'Electrosonans electricus'، قادرة على امتصاص الإلكترونات عبر بروتينات متخصصة في غشاء الخلية. يتحدى هذا الاكتشاف العقيدة البيولوجية التي تفترض أن جميع أشكال الحياة تحتاج إلى جزيئات عضوية أو ضوء كمصدر للطاقة، ويفتح الباب أمام تطبيقات ثورية في معالجة مياه الصرف الصحي، وتوليد الطاقة الحيوية، واستكشاف الحياة خارج كوكب الأرض.. مقدمة: حياة لا تعتمد على الغذاء أو الضوء على مر القرون، افترض العلماء أن جميع الكائنات الحية تحصل على طاقتها إما عن طريق التمثيل الضوئي تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية أو عن طريق التنفس أكسدة الجزيئات العضوية مثل الجلوكوز . ومع ذلك، فقد تحدى اكتشاف مذهل في مجال علم الأحياء الدقيقة هذا النموذج. نجحت مجموعة من الباحثين من جامعة جنوب كاليفورنيا USC ومختبرات لورانس بيركلي الوطنية في تحديد وعزل سلالة بكتيرية قادرة على العيش فقط عن طريق "أكل" الإلكترونات من مصادر كهربائية خارجية. هذه الظاهرة، المعروفة بالإلكتروتروفية، تفتح بعدًا جديدًا في فهمنا للأيض وحدود الحياة. منهجية الدراسة: عزل البكتيريا آكلة الكهرباء استخدمت الدراسة، التي نُشرت في مجلة Nature Communications في عام 2023، نهجًا تجريبيًا مبتكرًا. صمم فريق الباحثين بقيادة الدكتور كينيث نيلسون، خبير في علم الأحياء الدقيقة البيئي، مفاعلات حيوية خاصة تحتوي على أقطاب كهربائية من الجرافيت مغمورة في وسط خالٍ من الكربون العضوي. تم تمرير تيار كهربائي بجهد منخفض حوالي 0.2 إلى 0.5 فولت عبر الأقطاب الكهربائية. تم أخذ عينات من الرواسب من قاع البحر من مناطق حرارية مائية في المحيط الهادئ ووضعها في المفاعلات. بعد عدة أسابيع، بدأت الأغشية الحيوية في التكون على سطح الأقطاب الكهربائية. أكدت التحليلات الجينية والمجهر الإلكتروني وجود سلالة بكتيرية جديدة سُميت Electrosonans electricus . الآلية الكيميائية الحيوية: كيف "تأكل" البكتيريا الإلكترونات تمتلك Electrosonans electricus بروتينات غشائية فريدة، تُسمى "الإلكتروبورينات"، تعمل كـ "أسلاك حية" لامتصاص الإلكترونات مباشرة من الأقطاب الكهربائية. تُستخدم الإلكترونات الممتصة بعد ذلك في سلسلة نقل الإلكترون في غشاء الخلية لإنتاج ATP أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، العملة الرئيسية للطاقة في الخلية. اللافت للنظر أن هذه البكتيريا لا تحتاج إلى جزيئات عضوية كمانحة للإلكترونات؛ بدلاً من ذلك، تستخدم ثاني أكسيد الكربون CO2 كمصدر للكربون لبناء الجزيئات الحيوية من خلال تثبيت الكربون. هذا يعني أن E. electricus هي كائن ذاتي التغذية حقيقي يستخدم الكهرباء كمصدر للطاقة، تمامًا كما تستخدم النباتات الضوء. الآثار المترتبة على نظريات الأيض وحدود الحياة يتحدى هذا الاكتشاف التعريف الكلاسيكي للحياة. حتى الآن، افترضنا أن جميع أشكال الحياة تحتاج إلى مصدر للطاقة الكيميائية أو الضوء. تُظهر الإلكتروتروفية أن الإلكترونات الخام يمكن أن تكون مصدرًا مباشرًا للطاقة. هذا له آثار كبيرة في علم الأحياء الفلكي: في أقمار مثل أوروبا قمر المشتري أو إنسيلادوس قمر زحل التي تحتوي على محيطات تحت جليدية مع نشاط حراري مائي، قد توجد حياة تعتمد على التيارات الكهربائية الناتجة عن التفاعل بين مياه البحر والصخور. تفتح هذه الدراسة أيضًا إمكانية أن تكون الحياة الأولى على الأرض قد استخدمت الكهرباء من المصادر الحرارية المائية قبل ظهور التمثيل الضوئي. تطبيقات التكنولوجيا الحيوية: معالجة مياه الصرف الصحي وتوليد الطاقة الحيوية إمكانات التطبيقات للبكتيريا آكلة الكهرباء واسعة جدًا. في معالجة مياه الصرف الصحي، يمكن استخدام E. electricus لإزالة الملوثات العضوية والمعادن الثقيلة بكفاءة أكبر لأنها لا تتطلب إضافة مواد كيميائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن دمج هذه البكتيريا في خلايا الوقود الميكروبية MFCs لتوليد الكهرباء من النفايات العضوية. تشير الدراسات الأولية إلى أن الأغشية الحيوية لـ E. electricus على الأقطاب الكهربائية يمكن أن تنتج كثافة طاقة تصل إلى 2.5 واط/م²، وهي أعلى بكثير من سلالات أخرى مثل Shewanella oneidensis . هذا يمكن أن يصبح مصدرًا مستدامًا للطاقة المتجددة للمجتمعات المعزولة. التحديات والأبحاث المستقبلية على الرغم من أن هذا الاكتشاف مثير، لا تزال هناك العديد من الأسئلة التي تحتاج إلى إجابة. كيف تنظم هذه البكتيريا تدفق الإلكترونات لتجنب التلف التأكسدي؟ هل توجد سلالات إلكتروتروفية أخرى في بيئات قاسية مثل البحيرات الحمضية أو قاع المحيطات العميقة؟ يجري فريق الدكتور نيلسون حاليًا دراسات ميتاجينومية للبحث عن جينات الإلكتروبورين في عينات بيئية من جميع أنحاء العالم. كما يتعاونون مع مهندسين كهربائيين لتصميم مفاعلات حيوية أكثر كفاءة للتطبيقات التجارية. الخلاصة: خطوة نحو فهم الحياة على الأرض وخارجها إن اكتشاف Electrosonans electricus ليس مجرد سلالة بكتيرية أخرى؛ إنه دليل على أن الحياة يمكن أن توجد بأشكال لم نتخيلها من قبل. من خلال دراسة آليات الإلكتروتروفية، نحن لا نوسع حدود علم الأحياء فحسب، بل نفتح أيضًا الباب أمام التقنيات الخضراء واستكشاف الفضاء. ربما في مكان ما في محيطات أوروبا، توجد كائنات حية "تستمع" إلى همسات الإلكترونات من نواة الكوكب، تمامًا مثل هذه البكتيريا الصغيرة في قاع المحيط الهادئ.