Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
Планету Земля часто называют колыбелью жизни, и в этом титуле совсем мало преувеличений. Жизнь можно найти и в вечнозеленых тропиках, и в знойных пустынях, и на бескрайних ледяных просторах, и даже в жерлах подводных вулканов. Как сказал Ян Малкольм в фильме «Парк Юрского периода»: «life finds a way». Ученые из Хьюстонского университета провели исследование любопытных бактерий, проживающих в шахтах Бразилии и способных преобразовывать ионы сульфата меди (CuSO4) в одноатомную нуль-валентную медь (Cu0). Чем столь интересен это процесс, и как его можно применить в мире людей? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Тяжело представить современный мир без меди. Диэлектрические, магнитные, оптические, антимикробные и каталитические свойства позволяют применять медь во множестве отраслей, от солнечных элементов до антимикробных покрытий. При этом химический синтез одноатомной металлической меди является крайне сложным процессом, требующим инертных или восстановительных условий, а также использования токсичных реагентов. Но вот некоторые организмы способны делать это без труда.
Недавние исследования показали, что многие микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, могут продуцировать неорганические наночастицы (НЧ): Ag, Au, Cu, CuO, магнетит и т.д. Особенно любопытны труды, где описан синтез наночастиц меди в диапазоне от 10 до 40 нм внутри- и внеклеточно с использованием бактерий. В данном случае использовались ферменты редуктазы, такие как NADPH (восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотидфосфата, C21H29N7O17P3), обладающих окислительно-восстановительным потенциалом для восстановления ионов металлов. Но то, как микроорганизмы естественным образом синтезируют CuO (в размере от 170 до 179 мкм), ранее было неясно.
Почему синтез одноатомной меди столь привлекателен? Дело в том, что отдельные атомы можно использовать и в катализе, и в легировании, и в энергетике. Однако, как мы уже знаем, одноатомный синтез сопряжен с рядом трудностей, среди которых необходимость в использовании токсичных реагентов. Альтернативные методы (осаждение из паровой фазы, распыление и фемтосекундная лазерная абляция) пока еще остаются малоэффективными.
Именно потому ученые решили детально изучить бактерии, которые самостоятельно выполняют одноатомный синтез меди без каких-либо токсичных реагентов.
Результаты исследования
В качестве подопытных были выбраны бактерии, обитающие в рудниках Бразилии (6°27′15.848″ ю.ш. и 50°4′37.507 ″ з.д.).
Изображение №1
Обнаружение изолята из рода Bacillus, способного продуцировать одноатомную медь внутриклеточно, было зарегистрировано с помощью визуального наблюдения изменений цвета среды для роста бактерий с CuSO4 через 48 часов. Изменение цвета с зеленого (CuSO4 + бактерии) на оранжевый указывает на преобразование CuSO4 в Cu0 (1A). Дополнительным подтверждением наличия Cu0 стали результаты просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), где показаны бактерии после 48 часов инкубации в сульфате меди (1B). На 1C и 1D показаны снимки бактерии с большим и меньшим увеличением соответственно. Также на 1D отчетливо видны отдельные атомы меди.
Для определения габаритов атомов меди было проанализировано около 13000 атомов (1E). Радиус каждого атома находился в пределах от 1.7 до 1.85 Å. На диаграмме размаха (1F) суммированы фактическое распределение населенности и размеры всех измеренных атомов, обнаруженных на ПЭМ снимках. Более 75% атомов меди имели радиус 1.89 ± 0.19 Å. Более крупные размеры ученые рассматривают как перекрытие атомов меди на снимках, когда один атом находится слишком близко к другому.
Данные размеры говорят о том, что обнаруженные атомы это именно нейтральные атомы меди (с нулевой валентностью, Cu0). Радиусы Cu1+, Cu2+ и Cu3+ находятся в диапазоне от 0.54 до 0.63, т.е. не попадают в диапазон наблюдаемых радиусов. Это дополнительно подтверждает, что присутствующая в образцах медь это именно Cu0.
Распределение элементов в клетках было определено с помощью энергодисперсионной спектроскопии (EDS от energy dispersive spectroscopy). Молибденовая сетка гарантировала, что все медные сигналы, обнаруженные EDS, принадлежат исключительно бактериям (снимки ниже).
Изображение №2
Визуализация в режиме обратного рассеяния показывает четкий контраст между более тяжелыми и более легкими атомами, в данном случае между медью и углеродом, азотом и кислородом.
Следовательно, медь является одним из наиболее распространенных элементов в образце, а Cu0 — самым распространенным типом меди. Это было дополнительно подтверждено анализом результатов рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (3A).
Изображение №3
На графиках 3B и 3C показана спектроскопия характеристических потерь энергии электронами (EELS от electron energy loss spectroscopy) меди. В первом EELS спектре (3B) можно увидеть присутствие углерода, азота и кислорода, которые являются типичными компонентами органического вещества, входящего в состав бактерий. Уровень энергии для каждого из этих элементов составил: 290 эВ — углерод; 400 эВ — азот и 530 эВ — кислород.
Медь обычно обнаруживается в диапазоне от 931 до 953 эВ. Но в данном случае обнаружить ее с помощью EELS было невозможно (3C). Ученые объясняют это толщиной одноатомной меди, что является известным ограничением этого метода. Однако с помощью EELS удалось установить, что атомы меди распространены в клетках остаточно равномерно, а вероятность их кластеров крайне мала в отличие от углерода, азота и кислорода.
На графиках 3D-3F показаны результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии C 1s, O 1s и Cu 2p на уровне ядра, полученные от меди, синтезированной Bacillus, спустя 48 часов инкубации.
Спектр C 1s (3D) представляет три компонента при 285.8, 287 и 288.9 эВ, соответствующих связям между белком/пептидами и атомарной медью. Область XPS-спектров O 1s на уровне ядра (3E) показывает максимум энергии связи при 532.8 эВ, соответствующий карбоксильным группам, которые принадлежат белкам на поверхности атомарной меди. Cu 2p показывает два пика при 932.3 и при 952.0 эВ, которые соответствуют энергиям связи 2p3/2 и 2p1/2 электронов Cu0 (3F). Эти наблюдения указывают на то, что тип меди, синтезируемой бактериями, это именно одноатомная медь, т.е. Cu0.
Полностью удостоверившись в том, что бактерии производят одноатомную медь, ученым осталось понять, как именно это происходит.
Сначала белки бактерий идентифицировали в двух различных условиях роста: культивирование без сульфата меди (контрольная группа) и с сульфатом меди (CuSO4; 100 мг/л). В контрольной группе было зафиксировано экспрессию 652 белков, а в группе с CuSO4 — 458 белка. Из этих 458 белков 313 одинаково экспрессировались в обоих условиях роста, а 145 белков экспрессировались только в присутствии сульфата меди.
Большинство белков (102 белка) участвовали в первичном метаболизме (углерод и энергия). Следовательно, Cu влияет на клетку негативным образом, вызывая выработку большей энергии, дабы пережить это воздействие. Пятнадцать белков участвовали в функциях устойчивости и стресса, а три из них выполняли функции транспорта и поглощения Cu клеткой.
Среди белков, задействованных в транспорте меди, были регулируемый железом транспортер SufB, переносящая медь аденозинтрифосфатаза P-типа (ATPase) и Copz.
Copz — это шаперонный* белок, выполняющий роль внутриклеточной секвестрации (накопления) и транспорта Cu+ из цитоплазмы* в периплазму*.
Шапероны* — белки, выполняющие функцию восстановления правильной нативной третичной или четвертичной структуры белка, а также образование и диссоциация белковых комплексов.
Цитоплазма* — полужидкое содержимое клетки.Остальные 11 белков, идентифицированные в присутствии сульфата меди, были белками, которые могут участвовать в биосинтезе и стабилизации одноатомной меди. Шесть из них восстанавливают либо сульфат, либо металлы: тиолдисульфид изомераза / тиоредоксин; тиоредоксинредуктаза (TRXR), дикластер 4Fe-4S, ферредоксин 4Fe-4S, дисульфидредуктаза семейства TlpA и сульфатаденилилтрансфераза.
Периплазма* — обособленный компартмент клеток грамотрицательных бактерий.
Учитывая функции этих белков, можно предположить, что они восстанавливают сульфат из CuSO4, оставляя свободную токсичную медь (Cu2+) внутри клеток.
Изображение №4
Продукция наночастиц Se с помощью Stenotrophomonas maltophilia показала возможную ассоциацию с алкогольдегидрогеназой. В рамках данного исследования в бактериях Bacillus были идентифицированы два белка-гомолога: NADH (восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида) — зависимая бутанолдегидрогеназа А и NADH-зависимая бутанолдегидрогеназа.
Подобная находка указывает на то, что белки могут участвовать в биогенном синтезе одноатомной меди. Также в бактериях были выявлены белки семейства Ferritin Dps и индуцируемый голоданием ДНК-связывающий белок (Dps от DNA binding protein). Ранее высказывалось мнение, что пути синтеза наночастиц с участием этих белков включают процессы автоокисления, гидроксилирования или восстановления. Но пока это лишь теория.
В данном труде ученые предположили, что в процессе преобразования Cu2+ в Cu0 важную роль играет белок ферритин*.
Ферритин* — сложный белковый комплекс, выполняющий роль основного внутриклеточного хранилища железа.Вероятно, комбинация этого белка и других белков, экспрессируемых в Bacillus, в среде с добавлением сульфата меди напрямую связано с биосинтезом одноатомной меди (изображение №4).
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде ученые исследовали довольно любопытный организм — бактерию Bacillus, способную внутриклеточно синтезировать одноатомную медь (Cu0) из сульфата меди (CuSO4). Данный процесс, являющийся естественным для бактерий, крайне сложно воспроизвести с помощью даже самых современных технологий и методик. Для производства одноатомной меди люди вынуждены применять токсичные реагенты, тогда как бактерии в этом не нуждаются.
По словам авторов труда, их результаты позволяют лучше понять, как столь малые организмы способны регулировать столь сложные химические реакции. Кроме того, это исследование может стать основой для промышленного производства атомарной меди, которое будет лишено прежних недостатков, но обретет новые преимущества, такие как снижение стоимости производства.
Учитывая, что медь используется во многих направлениях (от антибактериального покрытия до электроники), подобного рода открытия действительно несут в себе немалый потенциал.
Важно отметить и то, что изученные бактерии могут быть далеко не единственными микроорганизмами, способными синтезировать одноатомные металлы, которые найдут свое применение в науке, технике и медицине.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
