חוקרים מ-DOE/Pacific Northwest National Laboratory הצליחו לדמות את הדרך שבה חיידקים מסוימים מעבירים זרם חשמלי דרך חוטים מולקולאריים זעירים, ובכך גילו מנגנון סודי שהטבע משתמש בו בשביל להזיז אלקטרונים.
מאת: אופיר מרום
חוקרים מ-DOE/Pacific Northwest National Laboratory הצליחו לדמות את הדרך שבה חיידקים מסוימים מעבירים זרם חשמלי דרך חוטים מולקולאריים זעירים, ובכך גילו מנגנון סודי שהטבע משתמש בו בשביל להזיז אלקטרונים. התוצאות הן מפתח להבנת האופן בו החיידקים גורמים לשינויים כימיים באדמה, ויסייעו לפיתוח של תאי דלק מיקרוביאליים, של סוללות, או להפיכת פסולת לחשמל.
חיידקים מסוימים נושמים באמצעות מתכות כמו שבעלי חיים משתמשים בחמצן. בתהליך הנשימה, חיידקים אלה “גונבים” אלקטרונים מאטומי פחמן ומעבירים אותם למתכות או למינרלים בקרקע. הם עושים זאת על ידי שימוש בחוטים מולקולריים הבנויים מחלבונים, המעבירים את האלקטרונים הפנימיים לחלקו החיצוני של התא שלהם. חוטים מולקולריים אלה אינם כמו חוטי חשמל רגילים בהם האלקטרונים זורמים באופן חלק. בחוטים אלה האלקטרונים חייבים לקפץ בין קבוצת HEME אחת לשנייה. קבוצות הHEME- הן תרכובות כימיות הקשורות לחלבונים, תרכובות שיכולות לבצע פעולות חמצון וחיזור, כלומר קבלת ומסירת אלקטרונים. לא כל הקבוצות האלה בנויות באופן זהה. חלקן מחזיקות את האלקטרונים בחוזקה ואחרות נותנות לאלקטרונים לחמוק בקלות. בהתאם לאופן סידור קבוצות ה-HEME, נוצר מסלול למעבר האלקטרונים, שיכול להיות מסלול מכשולים, או כזה שאלקטרונים יקפצו על פניו בקלות.
בשנים האחרונות החל להצטבר יותר ויותר מידע על קבוצות HEME הקיימות בטבע. מצוידים בהבנה בסיסית על מבנה החלבון שמרכיב את החוט המולקולארי בחיידקים, החלו החוקרים לבנות סימולציה ממוחשבת של הקבוצות ה- HEME השונות לאורכו, במטרה לאפיין את הדרך שהאלקטרונים צריכים לעבור. מה שגילו הוא מנגנון שלא היה מוכר עד כה.
בתחילה, שירטט צוות החוקרים מודל עבור המיקום הממוצע של 10 קבוצות ה-HEME לאורך החלבון. לאחר מכן נבחנה האינטראקציה בין כל 2 קבוצות HEME סמוכות, כדי למפות את הכוח המניע למעבר של אלקטרון בכל צעד וצעד במסלול. החוקרים מצאו כי הכוח המניע למעבר האלקטרונים אינו אחיד לאורך המסלול המיועד. בין קבוצות מסוימות הכוח המניע גבוה והאלקטרונים יכולים להתקדם במהירות, ואילו במקומות אחרים הוא נמצא כנמוך מאוד, דבר שיכול לעקב את האלקטרונים בתנועתם. מתוך הסימולציה הממוחשבת נמצא שבאופן אבולוציוני התפתח החלבון, מרובה קבוצות ה-HEME, בסידור שבו הקבוצות שהמעבר ביניהן בעייתי נמצאות קרוב מאוד אחת לשנייה, כמעט “מתחבקות”. לעומת זאת, כאשר הכוח המניע למעבר גבוה הקבוצות מרוחקות יותר אחת מהשנייה, רק “לוחצות ידיים”. בזכות הסידור הזה, יוצר החלבון מנגנון פיצוי ובכך מבטיח זרימה חלקה יחסית של מטענים לכל אורכו.
במאמר שהתפרסם לאחרונה מדווחים החוקרים שזאת הפעם הראשונה שנמצא בטבע עיקרון עיצוב אבולוציוני כזה להעברת אלקטרונים. התוצאות שהתקבלו מעלות שאלות מחקר חדשות כגון: מדוע מלכתחילה יש אזורים בעיתיים למעבר מטענים, ואיך סידור זה גורם לתפקוד יעיל של חלבון מרובה קבוצות HEME? במציאות של ימינו, מציאת מקורות אנרגיה מתחדשים הופך להיות עניין קיומי. בטבע, בו המושג פסולת אינו קיים, חיידקים ממלאים תפקיד חשוב. מחקרים כמו זה, התורמים להבנת האופן בו חיידקים מייצרים אנרגיה מפירוק של פסולת, יוכלו לאפשר ייצור אנרגיה בדרכים חדשות, ממקורות שלא היו אפשריים עד היום ובאופן הרמוני יותר עם הסביבה.
