Электропроводность белковых выростов бактерии Geobacter sulfurreducens обусловлена тонкими особенностями их строения.

Обычно белковые молекулы и белковые сверхмолекулярные комплексы электрический ток не проводят. Однако и тут есть исключения, и одно из них – пили, или ворсинки, бактерии Geobacter sulfurreducens. Пилями называют длинные белковые структуры, сидящие на поверхности бактериальной клетки (из-за чего бактерия выглядит довольно волосатой) и выполняющие самые разные функции.

Сеть проводящих белковых филаментов G. sulfurreducens (иллюстрация Anna Klimes и Ernie Carbone, UMass Amherst).

Несколько лет назад исследователи обнаружили, что ворсинки G. sulfurreducens способны проводить ток – по своим длинным пилям G. sulfurreducens перекачивает электроны другим бактериям, с которыми живёт в сообществе. Электропроводность бактериальных ворсинок оказалась сравнимой с электропроводностью металлов, передача тока происходила на довольно большие по меркам бактерий расстояния (на десятки микрометров), однако было совершенно непонятно, почему так происходит – согласно модели ворсинок G. sulfurreducens, никакой ток они проводить не были должны.

Загадку удалось разрешить сотрудникам Массачусетского университета в Амхерсте вместе с коллегами из Брукхейвенской национальной лаборатории при Министерстве энергетики США. Пили образуются из белка пилина, множество молекул которого соединяются в длинный комплекс, и, если мы попытаемся рассмотреть ворсинки поближе, то увидим в них повторяющиеся элементы.

С помощью рентгеноструктурных методов удалось выяснить, что у проводящих нитей есть важная особенность – в их структуре повторяется промежуток в 0,32 нм. А вот у штамма G. sulfurreducens, чьи пили утратили способность проводить ток, такого повторяющегося по длине ворсинок 0,32-нанометрового зазора не было.

Кроме того, непроводящие пили были лишены аминокислот с ароматическими химическими группами. Известно, что в ароматических соединениях (самым простым и известным из которых является бензол из школьного учебника) электронная плотность равномерно распределена по всем атомам, образующим кольцо; иными словами, все электроны, задействованные в создании молекулы, как бы равномерно размазаны по всей ароматической группе.

При сближении и перекрывании электронных орбиталей двух ароматических молекул электроны как бы получат в своё пользование новую территорию, на которую смогут заходить сравнительно беспрепятственно. Если такие близко расположенные кольца выстроятся в ряд от точки А до точки Б, то между А и Б возникнет электропроводность. Ароматические группы торчат на ворсинке G. sulfurreducens подобно перекладинам винтовой лестницы, перекидывая друг другу электроны. Важно только, чтобы они находились на правильно расстоянии друг относительно друга, и вот вышеупомянутые повторяющиеся 0,32 нм в проводящих ворсинках G. sulfurreducens как раз это самое правильное расстояние и есть.

В статье в mBio также говорится о том, в чём причина известного феномена с проводящими ворсинками – в более ранних экспериментах их электропроводность возрастала едва ли не в 100 раз при закислении среды. Оказалось, что при уменьшении pH с 10 до 2 (то есть при повышении кислотности) необходимые для электропроводности периодические 0,32-нанометровые зазоры в пилях становился более выраженным, и они начинали лучше проводить ток.

Внимание, которым пользуются «электропроводные бактерии», вполне понятно, ведь их пили – это готовые нанопровода, которые можно дёшево и быстро выращивать в пробирке и потом собирать из них какую-нибудь наноэлектронику. Если пили геобактера докажут свою эффективность, и если найдут способ ещё как-то их улучшить, то, возможно в недалёком будущем нас ждут гаджеты на бактериально-белковой основе.