تشير الجينات إلى كيفية تمكن بعض البكتيريا من إلتهام الكهرباء

تشير الجينات إلى كيفية تمكن بعض البكتيريا التهام الكهرباء. ويأمل الباحثون في تسخير هذه القوة الميكروبية العظمى لتخزين الطاقة أو صنع الوقود الحيوي.

مقدمة

يمكن أن تكون للبكتيريا قوى خارقة. تزدهر البعض في أي بيئة تقريبًا. يمكن للبعض الآخر تحويل المواد السامة إلى حمأة غير ضارة، ويمكن لبكتيريا تسمى Shewanella oneidensis أن تفعل كلا الأمرين. فهو لديه أيضًا قوة عظمى أكثر ندرة: فهو يمتص الكهرباء وينتجها.

في الواقع ، تشير الأبحاث الجديدة إلى أن هذه البكتيريا قد تكون قادرة على استخدام الطاقة المجمعة من مصادر الرياح أو الطاقة الشمسية لإنتاج الوقود لتشغيل المركبات وغير ذلك.

تقول آنيت رو: “أعتقد أن هذه الكائنات الحية تأكل الكهرباء”. فهي عالمة أحياء مجهرية بجامعة سينسيناتي بولاية أوهايو. لقد حدد فريقها للتو الجينات التي يستخدمها الميكروب لالتهام الكهرباء. الإلكترونات هي جسيمات سالبة الشحنة. تيار متحرك منهم يخلق تيارًا كهربائيًا.

كيف تتحكم الميكروبات في تيارها

عرف العلماء بالفعل أن Shewanella يمكنها تحريك الإلكترونات ذهابًا وإيابًا عبر جدارها الخلوي. يقول رو أنهم لم يعرفوا بالضبط كيف تتحكم الميكروبات في تيارها.

حيث يقول رو: “إن مسار إدخال الإلكترونات داخل الخلية وخارجها يشبه السلك”. “فهو يسمح للتيار بالتدفق من الداخل إلى الخارج.

أي عكس التدفق ، ويمكن دفع الإلكترونات إلى داخل الخلية”. يمكن للخلية بعد ذلك استخدام تلك الإلكترونات للقيام ببعض الأعمال الأخرى ، مثل توليد التيار.

أو يمكنها تخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا. وأيضاً يمكن استخدام هذه الإلكترونات لاحقًا لإنتاج الوقود.على سبيل المثال: عرف رو أن “سلك” Shewanella الخلوي يجب أن تتحكم فيه الجينات. لكن أيهما؟

معرفة الجينات المحذوفة التي تسمح للبكتيريا بسحب الإلكترونات

كان Buz Barstow قادرًا على المساعدة. وهو مهندس بيولوجي في جامعة كورنيل.  في إيثاكا ، نيويورك. قام بوضع قائمة بما يقرب من 4000 من جينات هذه البكتيريا. تضمنت تلك القائمة أيضًا طفرات أو تغييرات. اختبر رو هذه الطفرات للعثور على المجموعة التي يتكون منها “سلك” Shewanella الخلوي داخل الخلية ، يمكن حذف الجين.

بالنسبة للدراسة الجديدة ، اختبرت رو وزملاؤها مجموعات من البكتيريا مع مجموعات من الجينات المحذوفة. هدفهم: معرفة المحذوفة التي تسمح للبكتيريا بسحب الإلكترونات. من المحتمل أن تكون هذه جينات مساعدة في صنع “سلك” الخلية.

فكما قالت لم تكن هذه مهمة سهلة حيث كان من الصعب حقًا البحث عن تدفق الإلكترون” وتتبع الإلكترونات ، كما تقول. لكن مع مرور الوقت ابتكروا اختبارًا ذكيًا.

قاموا بتنمية البكتيريا المتحولة المختلفة على الزجاج المغطى بغشاء معدني رقيق، ثم قاموا بتوصيل سلك للبكتيريا و أرسلوا تيارًا كهربائيًا عبر السلك ، مكنهم من  قياس مقدار امتصاص البكتيريا أو إضافتها إذا لم تتدفق الإلكترونات ، فقد توصل العلماء إلى أن المحذوفة يجب أن تكون جينات لازمة لتدفق الإلكترونات.

الجينات تشير للخلايا بكيفية صناعة البروتين

ثم لاحقاً ، قاموا بتضييق نطاق خمسة جينات والتي يبدو أن (Shewanella) تستخدمها لامتصاص الإلكترونات. يخبر كل جين الخلية كيف تصنع بروتينًا.

من المحتمل أن “تلتقط” بعض هذه البروتينات الإلكترونات وتدخلها في الخلية. قد ترسل جينات أخرى إشارات داخل الخلية التي توجه العملية. التي يمكنها  طرد الإلكترونات من الخلية.

الوقود الحيوي البكتيري

حدد العلماء طرقًا عديدة لاستخدام الميكروبات الكهربائية. قد يكون أحدها هو صنع الوقود الحيوي ، فهو يختلف عن الوقود الأحفوري ، مثل الفحم والغاز الطبيعي. (الوقود الأحفوري غني بالكربون من بقايا الكائنات الحية القديمة المتحللة). والإيثانول ، الذي يمكن صنعه من الذرة أو قصب السكر ، هو وقود حيوي يمكن إضافته إلى البنزين القياسي.

يمكن تكييف السيارات التي تعمل بالديزل لتعمل على وقود حيوي آخر. يسمى وقود الديزل الحيوي ، وهو وقود مصنوع من الزيوت النباتية أو الدهون الحيوانية.

يحصل الوقود الحيوي على الكربون من مصادر مثل النباتات أو فضلات الحيوانات.  يقول رو من المحتمل فيما بعد  ، الحصول على الكربون.

تعتبر Shewanella من بين البكتيريا التي يمكنها انتزاع ذرات الكربون من ثاني أكسيد الكربون،حيث  يمكنهم استخدامه لإنشاء جزيئات أخرى أكبر يمكن حرقها كوقود حيوي، يرى رو أن Shewanella)  مدعومًا بالإلكترونات التي تلتهمها ، يمكن أن تستمر Shewanella في صنع هذه الجزيئات.

يمكن أن تساعد العلماء على تطوير وقود حيوي جديد

إن معرفة ما يحرك أكل الإلكترون يمكن أن تساعد العلماء على تطوير وقود حيوي جديد. والأفضل من ذلك هو أن الإلكترونات التي “تغذي” البكتيريا تأتي من طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية. يمكن لمثل هذه المصادر أن تعمل على تشغيل عملية صنع الوقود الحيوي دون إضافة ثاني أكسيد الكربون المسخن إلى الهواء.

(إلعاد نور) عالم بيئي يعمل في معهد وايزمان للعلوم في رحوفوت ، إسرائيل فهو يعمل على تطوير طرق جديدة “لإصلاح” الكربون – أي لسحب الكربون من ثاني أكسيد الكربون لبناء مركبات كيميائية أخرى.

خاتمة

يعد استخدام البكتيريا لإنتاج الوقود الحيوي أمرًا جذابًا لأنها يمكن أن تتجدد ويجب أن تكون قادرة على إعادة استخدام الكربون. ويضيف أن الطاقة المؤلمة فيها ستكون خضراء أيضًا  ، في النهاية لن تحتاج الميكروبات إلى معادن خطيرة ، كما هو الحال في البطاريات العادية.

ومع ذلك ، ينوه وينبه  من أن العمل مع الكائنات الحية أمر معقد فيقول: “من الصعب التنبؤ بالأنظمة البيولوجية”. “هناك طرق لتخزين الطاقة أكثر كفاءة.”

تظهر الجينات التي وجدها فريق Rowe في Shewanella في بكتيريا أخرى.  تخطط المجموعة للبحث عن أخرى يمكنها تخزين أو إطلاق الإلكترونات. فهو يسعى أيضاً إلى محاولة تحسين قدرات Shewanella ، لأن هذه “الكائنات الحية التي تتوفر لدينا معرفة عنها أكثر من غيرها.”

المصدر: Genes point to how some bacteria can gobble up electricity

طالع أيضاً: ما الذي يتطلبه الأمر لصنع حصان وحيد القرن أو يونيكورن؟