مولد إلكترونات خارجية
مولد الإلكترونات الخارجية exoelectrogen، مصطلح يشير إلى العضية الدقيقة التي تتمتع بالقدرة على نقل الإلكترونات خارج الخلية. رغم حتى مصطلح مولد الإلكترونات الخارجية هوالاسم السائد، إلا حتى هناك أسماء أخرى مستخدمة: البكتريا النشطة إلكترو-مكانيكياً، البكتريا المتنفسة أنودياً، ومولد الإلكترونات. الإلكترونات المولدة خارجياً في هذه التقنية تُنتج في أعقاب إنتاج ثلاثي فوسفات الأدنوسين باستخدام سلسلة نقل الإلكترون أثناء الفسفرة التأكسدية. يحتاج التنفس الخلوي التقليدي مستقبل نهائي للإلكترون لاستقبال هذه الإلكترونات. الخلايا التي تستخدم الأكسجين الجزيئي (O2) كمستقبل نهائي للإلكترون توصف بأنها تستخدم التنفس الهوائي، بينما الخلايا التي تستخدم المركبات الأخرى القابلة للذوبان كمستقبل نهائيل للإلكترون توصف بأنها تستخدم التنفس اللاهوائي. ومع ذلك، فإن المستقبل النهائي للإلكترون لمولد الإلكترونات الخارجية يوجد خارج الخلية وقد يحدث عامل أكسدة قوي في المحلول المائي أوموصل صلب/مستقبل إلكترون. المستقبلين المرصودين الشائعين هما مركبات الحديد (خاصة أكاسيد الحديد الثلاثية) ومركبات المنجنيز (خاصة أكاسيد الحديد الثنائية والثلاثية). وبما حتى الأكسجين مؤكسد قوي، فإن الخلايا قادرة على القيام بذلك بدقة في غياب الأكسجين.
في الوقت الحالي، استخدام مولد الإلكترونات الخارجية قيد البحث في مجال تطوير ، والتي لديها القدرة على توليد المواد العضوية مثل الحمأة المنشطة الناتجة من معالجة مياه الصرف الصحي إلى إيثانول، غاز الهيدروجين، وتيار كهربائي.
في حين حتى العملية الدقيقة التي ستُختزل فيها المستقبل الخارجي تختلف من نوع لآخر، فقد تبين حتى الطرق التي تتضمن استخدام مسار الذي ينقل الإلكترونات إلى غشاء الخليةقد يكون معرض للبيئة الخارجية. ينفصل هذا المسار عن مسار سلسلة نقل الإلكترون بعد أكسدة cytochrome bc1 complex (Complex III) بواسطة c-type cytochromes المصمم لنقل الإلكترونات نحوالوجه الخلوي الخارجي من الغشاء الخارجي بدلاً من . MtrC وOmcA هما مثالين على السيتوكروم سي أكسيداز الذي يتواجد ذاتياً في الغشاء الخارجي لـ Shewanella oneidensis MR-1 مثقبات گاما، على الرغم من وجود الكثير من الاختلافات الأخرى (شكل 1).
بصرف النظر عن إطلاق الإلكترونات إلى المستقبل النهائي للإلكترون المؤكسد، قد يخدم نقل الإلكترون الخارجي في أغراض أخرى. أولاً، قد تنقل الخلايا الإلكترونات مباشرة لبعضها البعض دون الحاجة لمادة وسيطة. لوحظ حتى Pelotomaculum thermopropioncum ترتبط بـ Methanothermobacter thermautotrophicus عن طريق الأشعار البكتيرية (بنى خارج خلوية تستخدم في الاقتران والالتصاق) that was determined to be electrically conductive. ثانياً، قد تؤدي الإلكترونات خارج الخلية دوراً في الاتصالات كإشارة نصاب في البيوفيلم.
آلية نقل الإلكترونات الخارجية
تبين حتى انزيمات الأكسدة-الاختزال المختزلة عند الغشاء الخارجي للخلية تستخدم الطرق التالية لنقل إلكتروناتها إلى المستقبل النهائي للإلكترونات: المتصل النهائي، التنقل عبر مواد وسيطة مفرزة، عوامل استخلاب الحديد، عبر البيوفيلم الموصل، وعبر الأشعار الموصلة (شكل 2). ومع ذلك، فإن هناك احتمالات بأن هذه الطرق غير تبادلية، وقد تعتمد الطريقة المستخدمة على الظروف البيئية. في ظل الكثافة المنخفضة للبكتريا، قد يحدث استخدام نواقل الإلكترون وعوامل الاستخلاب المخلقة بواسطة مولدات الإلكترونات الخارجية كلفة للغاية بسبب الهجريزات الغير كافية لهذه الجزيئات المطلوبة للاسترداد واعادة الاستخدام. في ظل هذه الظروف، قد يفضل النقل المباشر؛ ومع ذلك، يفترض أن تفوق فوائد الطاقة على متطلبات الطاقة عندماقد يكون مجتمع البكتريا ذا حجم كاف.
يحدث الاختزال المباشر للمستقبل المؤكد عن طريق الاتصال بين انزيم الأكسدة-الاختزال داخل الخلية ومستقبل الإلكترون الطرفي (أي، القطب الكهربي أوالمركب الفلزي الخارجي). على الرغم من تنوع هذه الپروتينات (مع أخذ جميع من membrane-bound أوالأغشية القابلة للذوبان) ، فإن مواقعها الشائعة في الغشاء الخارجي أوالجبلة المحيطة في البكتريا سالبة-الگرام والبكتريا موجبة-الگرام توفر اتصالاً لصيقاً لنقل الإلكترونات.
بالإضافة إلى ذلك، فوجود جزيئات نقل الإلكترونات تزيد معدل النقل المباشر بشكل كبير لأكثر من 80%. على سبيل المثال، في Shewanella oneidensis MR-1، يتميز النقل من خلال سلسلة من الپروتينات المؤكسدة والهيكلية الممتدة من الغشاء السيتوپلازمي إلى السطح الخارجي للخلية (كما في شكل 1). يعقد حتى الفلاڤينات المفرزة تعمل لسد "الفجوة" بين پروتين/ات سطح الخلية والفلز الخارجي، مما قد يخفف من الحاجة إلى الاتصال المباشر ويسهل النقل عن بعد. علاوة على ذلك، بما حتى السيتوكرومات تعهد عمومًا الأسطح المحددة على المعدن الركيزي، فقد تعمل الفلاڤينات القابلة للذوبان كجسر عام يسمح بالتبرع الإلكتروني لمجموعة متنوعة من الفلزات المتنوعة فيالشكل والحجم، التي قد تكون مفيدة في تطبقات خلايا الوقود الدقيقة. ويفترض أيضاً حتى الفلاڤينات تعمل على ربط پروتينات الناقل الطرفي للإلكترونات كعامل مساعد لزيادة معدلات الأكسدة.
في 11 يناير 2019 ابتكر فهماء في معهد مساتشوستس للتكنولوجيا تقنية انتنطق الإلكترونيات خارج الخلية Extracellular electron transport لانتقاء البكتريا المولدة للكهرباء مثل البكتريا الأرضية. تلك البكتريا تعيش في ظروف قاسية داخل فوهات البراكين أوفي أعماق سحيقة بقاع المحيط أوداخل الأمعاء، ولذلك تولِّد إلكترونات لاستخلاص الأكسجين لتتنفسه. الفهماء يبحثون استخدام تلك البكتريا وحثها لهضم المواد الملوثة للبيئة.
المصادر
- ^ Logan B. (May 2009). "Exoelectrogenic bacteria that power microbial fuel cells". Nature Reviews Microbiology. 7: 375–383. doi:10.1038/nrmicro2113.
- ^ Willey J.; et al. (2011). Prescott's Microbiology. McGraw Hill. pp. 228–245. ISBN .
- ^ Hartshorne R.; et al. (Dec 2009). "Characterization of an electron conduit between bacteria and the extracellular environment" (PDF). Proceedings of the National Academy of Sciences. 106: 22169–22174. doi:10.1073/pnas.0900086106.
- ^ Baron D. (Oct 2009). ". The Journal of Biological Chemistry. 284 (42): 28865–28873. doi:10.1074/jbc.M109.043455. PMC 2781432. PMID 19661057.
- ^ Shi L.; et al. (2006). ". Journal of Bacteriology. 188 (13): 4705–4714. doi:10.1128/JB.01966-05. PMC 1483021. PMID 16788180.
- ^ Logan B. (2008). Microbial Fuel Cells. John Wiley & Sons Inc. pp. 4–6. ISBN .
- ^ Flynn J.; et al. (2010). "Enabling Unbalanced Fermentations by Using Engineered Electrode-Interfaced Bacteria". mBio, American Society of Microbiology. 1 (5): 1–8. doi:10.1128/mBio.00190-10.
- ^ Lovley D. (2008). "The microbe electric: conversion of organic matter to electricity". Current Opinion in Biotechnology. 19: 1–8. doi:10.1016/j.copbio.2008.10.005.
- ^ Nevin, Kelly P.; Lovley, Derek R. (March 2002). "Mechanisms for Fe(III) Oxide Reduction in Sedimentary Environments". Geomicrobiology Journal. 19 (2): 141–159. doi:10.1080/01490450252864253.
- ^ Gralnick, Jeffrey A.; Newman, Dianne K. (July 2007). "Extracellular respiration". Molecular Microbiology. 65 (1): 1–11. doi:10.1111/j.1365-2958.2007.05778.x. PMC 2804852.
- ^ Shi, Liang; Dong, Hailiang; Reguera, Gemma; Beyenal, Haluk; Lu, Anhuai; Liu, Juan; Yu, Han-Qing; Fredrickson, James K. (30 August 2016). "Extracellular electron transfer mechanisms between microorganisms and minerals". Nature Reviews Microbiology. 14 (10): 651–662. doi:10.1038/nrmicro.2016.93.
- ^ Jennifer Chu (2019-01-11). "Technique identifies electricity-producing bacteria". MIT News.
