Spændingstab i kabelbakterier

En international forskergruppe har kastet nyt lys over kabelbakterierne. Ved hjælp af laserlys har forskerne fulgt elektronernes vej op gennem de strømførende bakterier, og ud fra det elektriske potentiale i bakterierne beregnet, at de pga. spændingstab ikke kan fungere effektivt mere end 3 cm. nede i sedimentet.

06.05.2018 | Peter F. Gammelby

En enkelt kabelbakterie, ca. 1 cm. lang, strækker sig fra sediment til venstre i billedet mod ilt til højre i et mikroskopiglas. Foto: Jesper Tataru Bjerg

Forskere fra Aarhus Universitet har sammen med kolleger fra Belgien, Holland og Østrig brugt laser-spektrometri som et avanceret voltmeter for at følge elektronernes vej gennem kabelbakterierne over millimeter-store afstande – afstande, der er 1000 gange længere end hidtil målt i nogen levende organisme.

Ud fra målingerne kan forskerne også beregne spændingstabet over den enkelte kabelbakterie (ca. 12-14 millivolt pr. mm.), og dermed også beregne, hvor langt ned i den iltfri havbund, de kan strække sig, uden at miste evnen til at lede strøm:

”De skal ikke længere ned end 3 cm., før det bliver svært. De enkelte bakterier kan i princippet godt være længere, men så må de drosle ned eller bugte sig op og ned, så de skiftevis er nær det iltrige og det iltfrie miljø i sedimentet,” forklarer professor Andreas Schramm fra Center for Elektromikrobiologi (CEM) på Aarhus Universitet.

Et mudret billede

Grundforskningscentret CEM blev oprettet i 2017 netop for at finde svar på nogle af de spørgsmål, der myldrede frem efter opdagelsen af de levende elkabler i havbunden under Aarhus Bugt for syv år siden.

Hvordan kan en levende biologisk struktur fungere som en effektiv elektrisk ledning? Og hvordan fordeler kabelbakterien energien mellem cellerne? Og hvordan bruger de energien?

Den gang havde forskerne bogstaveligt talt et mudret billede af, hvad der foregik i de lange, tynde bakterier: bakterierne transporterer elektroner fra det iltfrie mudder et par centimeter nede i havbunden til det iltrige mudder i overfladen, hvilket gør det muligt for dem at spise med den ene ende og trække vejret med den anden.

…bliver klarere med laserlys

Efter at have ført levende kabelbakterier ind under mikroskopet og udsat dem for såkaldt resonans Raman spektrokopi er forskergruppen kommet et af svarene nærmere. Deres resultater offentliggøres i en artikel i det videnskabelige tidsskrift PNAS den 7. maj.

Med Raman spektoskopi belyser man molekyler med laserlys. Frekvensfordelingen af det spredte lys gør det muligt at aflæse molekylernes energitilstande.

”I denne sammenhæng har vi brugt instrumentet som et avanceret voltmeter rettet mod en bestemt type proteiner, cytokromer, i kablerne,” fortæller artiklens førsteforfatter, ph.d.-studerende Jesper T. Bjerg. ”

Hundreder af kabelbakterier kommer frem fra sedimentet i bunden af videoen og kravler opad i håbet om at finde ilt. Forskerne udnytter bakteriernes iver efter at finde ilt, når de udfører eksperimenter på enkelte kabelbakterier. Video: AU

Strømafbrydelse

Lederen af CEM, professor Lars Peter Nielsen, forklarer:

”Alle levende celler flytter rundt på elektroner og parkerer dem gerne i cytokromer. Jo flere ledige parkeringspladser der er, jo højere er det elektriske potentiale. Med vores avancerede voltmeter har vi nu målt de ledige pladser og dermed potentialet i hver cytokrom langs ledningerne i individuelle kabelbakterier, mens de transporterede elektroner fra den ene ende til den anden. Målingerne viser lavest potentiale i cellerne i den ende, hvor elektroner fra fødekilden blev læsset ind og højest potentiale i den modsatte ende, hvor elektronerne blev læsset af på ilt.”

Som en del af undersøgelserne skar forskerne den øverste ende af bakterierne (altså den der afgiver elektroner til ilten i vandet) af med en laser. Det medførte, at potentialet hurtigt dalede i den tilbageværende del af bakterierne, som tegn på at pladserne i cytokromerne blev fyldt op med elektroner, der nu var forhindret i at komme videre på grund af strømafbrydelsen.

”Dette er den første påvisning af elektrontransport i individuelle kabelbakterier. Samtidig har vi brugt en veletableret metode, så nu er der ingen udvej for de forskere, der har været tøvende med at forstå og acceptere vores oprindelige målinger med ukonventionelle metoder i uigennemskuelige muddersøjler ” siger Lars Peter Nielsen.

Læs mere på Center for Eletromikrobiologis hjemmeside

CEM blev etableret med 56 mio. kr. i støtte fra Danmarks Grundforskningsfond.


Kontaktinfo:

Professor Lars Peter Nielsen
Institut for Bioscience - Center for Elektromikrobiologi
lpn@bios.au.dk
Mobil: 60202654 

Professor Andreas Schramm
andreas.schramm@bios.au.dk
Mobil: 60202659 

Ph.d.-studerende Jesper Tataru Bjerg
jjbjerg@bios.au.dk
Direkte nummer: 87154332

Offentligheden / Pressen