Энергетика человеческой цивилизации и энергетика живой клетки кое в чем похожи. Люди чаще всего используют для передачи энергии на расстояние и перевод ее из одного вида в другой универсальную валюту — электричество, хотя не брезгуют и тем, чтобы перегонять по трубам носитель химической энергии — углеводороды. Живая клетка почти всегда полагается на химическую энергию, но пользуется и электричеством: перенос заряженных частиц — непременный атрибут производства главного клеточного топлива, молекул АТФ.
Молекулы АТФ производятся в разных биохимических реакциях, но наиболее эффективная из них — дыхание. При этом процессе электрон отнимается у «съедобной» органической молекулы — к примеру, сахара — и передается по цепочке все дальше и дальше, по пути приводя в движение разные молекулярные машины.
В том варианте дыхания, который более всего привычен нам, людям (а также подавляющему большинству земных организмов) конечный пункт назначения электронов — это атомы кислорода, всегда готовые заполнить ими свою внешнюю электронную оболочку. Однако некоторые микроорганизмы привыкли обходиться в этом деле без кислорода: они передают электрон каким-нибудь неорганическим молекулам, вроде оксида железа. А поскольку такие минералы часто нерастворимы, бактерии не могут использовать их внутри клетки, а вместо этого транспортируют электроны наружу. Для этого у них предусмотрен механизм внеклеточного переноса электронов (ВПЭ).
Идея использовать такие бактерии для производства электроэнергии возникла довольно давно. Соответствующая технология называется «микробной топливной ячейкой»: расположенные между двумя электродами бактерии окисляют органику, выталкивают наружу электроны и создают разность потенциалов. Считалось, однако, что на такое способна лишь небольшая группа бактерий из весьма экзотических природных ниш: таких, где нужные минералы в изобилии, а кислорода нет. А главное, там нету органического сырья для альтернативного способа произвести АТФ — брожения. Хитрый фокус с транспортом электронов в такой ситуации — единственный способ как-то выживать.
Дэниел Портной и его коллеги из Университета Калифорнии в Беркли занимались совсем другой бактерией по имени «листерия»: этот кишечный патоген проводит свою активную жизнь в пищеварительной системе человека. Кислорода там нет, зато вполне достаточно питательных веществ, которые можно сбраживать. Тем не менее, когда этих бактерий помещали в электрохимическую камеру, они генерировали электрический ток. О листерии и раньше было известно, что она умеет восстанавливать трехвалентное железо до двухвалентного, и вместе эти факты однозначно свидетельствуют, что обитатель наших кишок зачем-то занимается внеклеточным переносом электронов, без которого прекрасно мог бы обойтись. Эту загадку и разгадали калифорнийские биохимики, о чем и сообщили в журнале Nature.
Ученые охарактеризовали все гены и белки, участвующие в процессе. Оказалось, что начальные стадии очень похожи на то, что происходит в клетках узких специалистов, полагающихся на ВПЭ ради выживания. Однако дальше происходит нечто другое: электрон подхватывают органические молекулы — флавины — которые и несут его наружу. Дальнейшая судьба электрона неизвестна, но флавины легко могут передать его минеральным частицам почвы, некоторым компонентам белков или даже другим бактериям.
Авторы показали, что описанный механизм присутствует не только у листерии, но и у самых разных обитателей человеческого кишечника, включая молочнокислую бактерию лактобациллу. По своему устройству он гораздо проще, чем система ВПЭ у минерал-зависимых анаэробов, поскольку флавины, как правило, присутствуют в изобилии. Возможно, именно в этом и состоит ответ на вопрос, зачем бактериям прибегать к таким изыскам в условиях избытка органики для сбраживания: «изыски» оказались не так уж сложны. Если минерал-зависимые анаэробы прибегают к этому способу получения энергии, потому что у них нет другого выхода, обитатели наших кишок занимаются этим просто потому, что это удобно.
То, что удобно бактериям, может оказаться удобным и для человечества. Бактерии, которые до сих пор пытались применить в микробных топливных ячейках, были очень капризны и не слишком конкурентоспособны в условиях реальной жизни, да и ВПЭ в их исполнении был громоздким и не слишком эффективным процессом. Не исключено, что более привычных нам бактерий удастся обучить выполнять этот трюк гораздо непринужденнее. Никто не знает, где именно произойдет прорыв в «зеленую энергетику» будущего, но каждая новая возможность повышает шансы, что он произойдет в ближайшие десятилетия.
Другой аспект этой работы — более глубокое понимание процессов, происходящих, если можно так выразиться, в сокровенных недрах человека. Информация о том, что там, в таинственной тьме, кроме всего прочего еще и вырабатывается электричество, не может не волновать. Не исключено, что медицина сделает из этого факта и более практичные выводы.