בזמנים אלו, בהם שומעים ללא הרף על נגיפים, החלטנו לשנות נושא ולדבר על חיידקים. חיידקים הם יצורים חיים חד תאיים, ובניגוד לוירוסים, הם מפיקים אנרגיה בעצמם. אך לא נדבר על חיידקים רגילים, אלא על חיידקים ש"נושמים" בעזרת מתכות במקום חמצן

כל בעלי החיים: יונקים, זוחלים, דגים וגם חיידקים, זקוקים לאנרגיה. בתהליך ייצור האנרגיה בתא מועבר זרם חשמלי (כלומר, זרם אלקטרונים) בין חומרים שונים, בדיוק כמו בסוללה. בסוף התהליך צריך "להיפטר" מהאלקטרונים העודפים. בתנאים אירוביים (בנוכחות חמצן), התא מנצל את המשיכה של האלקטרונים לחמצן ומוסר אותם אליו - תהליך זה נקרא נשימה תאית. אך ישנם חיידקים מהמשפחות Shewanella Oneidensis  ו- Geobacter שחיים בסביבה עם מעט מאוד חמצן, למשל סביבה סלעית-מימית. כיצד הם נושמים? 

הפתרון המפתיע הוא נשימה בעזרת מתכות במקום בעזרת חמצן! נשימה כזו היא כמובן נשימה אנארובית.  מכיוון שהחיידקים נושמי המתכות מוגבלים מאוד בתנועה , כמות המתכת שבסביבתם הקרובה מוגבלת. כדי לא "להיחנק" יש להם פטנט מיוחד שמסייע להם להגיע למתכות רחוקות יותר. החיידקים שולחים ״זרועות״ עשויות חוטי חלבון לסביבתם. בסלעים ובמים שבסביבתם קיימות תחמוצות מתכות שבהן החיידקים נעזרים כדי להשלים את תהליך הנשימה, ואליהן החיידקים מעבירים את האלקטרונים העודפים. זה נשמע לא מאוד מרשים, עד שמתחשבים בכך שאורך החוטים האלו יכול להיות פי 50 (!) מאורך החיידק עצמו [2] .

איך החיידקים עושים זאת? התשובה לשאלה זו דורשת להבין את המבנה המולקולרי של חוטים האלו, אולם בשל העובדה שעוביים הוא ננומטרים בודדים, משימה זו היא מאתגרת מאוד. הקהילה שחוקרת את הנושא נחלקת לשניים:  החלק הראשון סבור שמדובר בהולכה שונה בתכלית מזו שמעורבת בתהליכים ביולוגים אחרים, ומזכירה יותר הולכה במתכות, שבהן האלקטרונים יכולים לנוע בקלות בין האטומים השונים שכן הם "מרוחים" על פני מולקולות רבות ולא נמצאים במקום אחד. אם זה אכן המצב, התוצאה הזו מדגימה את הקשר בין ביולוגיה לפיזיקה קוונטית, שכן רק חלקיקים קוונטים יכולים להיות "מרוחים" באופן כזה. נציין כי כדי שתופעה כזו תתרחש, חוטי החלבון חייבים להיות מסודרים מאוד וכמעט נטולי פגמים [3]. 

חלקה השני של הקהילה גורס שמדובר בהולכה בתהליך בשם "קיפוץ" (Hopping). האלקטרונים מקפצים בין האטומים השונים לאורך חוטי החלבון, ונשארים עליהם לפרקי זמן ארוכים יחסית. מנגנון זה נפוץ מאוד במערכות ביולוגיות, וההשערה היא שהחוטים שחיידקים שולחים לסביבתם מאפשרים לאלקטרונים לקפץ בקצב מהיר יחסית, וכך יוצרים את ההולכה החשמלית הטובה שאנו רואים בחוטים אלו.

על מנת להכריע בין הגישות, מתבצעים מחקרים רבים, על ידי מספר קבוצות מחקר. אחד המחקרים [4] חקר מוטנטים של החיידקים (כלומר חיידקים שהחוקרים ביצעו בהם שינויים גנטיים), בעלי מבנה חוטים - ולכן מוליכות, שונים מהחיידקים המקוריים במטרה לגלות איזה חלק בחוטים אחראי על ההולכה. השינויים שבוצעו בחוטים היו אמורים לבטל את האפשרות של הולכת "קיפוץ" דרך החוטים. עם זאת עדיין נראתה מוליכות טובה שכמעט לא הושפעה מהשינוי במבנה החוט, מה שהוביל את החוקרים למסקנה שמדובר בהולכה שדומה להולכה במתכות. 

מצד שני, חוקרים שבחנו כיצד משפיעה הטמפרטורה על ההולכה, הגיעו למסקנות הפוכות! חומרים נוטים להפוך לפחות מסודרים כשמחממים אותם, ולכן אם זו הולכה מתכתית, היא תהפוך לפחות טובה שהטמפרטורה תגדל. לעומת זאת, אם מדובר ב"קיפוץ" אלקטרונים, חימום דווקא ישפר את ההולכה, שכן לאלקטרונים תהיה יותר אנרגיה שתאפשר להם לקפץ מהר יותר בין האטומים.[5]. כאשר בחנו החוקרים את התלות בטמפרטורה של החוטים, הם מצאו התנהגות שמתאימה לקיפוץ, כלומר עליה בהולכה עם הטמפרטורה. 

בשנה האחרונה הצליחו שתי קבוצות מחקר שונות, באופן עצמאי וכמעט בו זמנית לקבוע את המבנה האטומי של החוטים באחד ממיני החיידקים הללו, בעזרת מיקרוסקופ אלקטרונים בהקפאה עמוקה (Cryo-EM) [6], [7]. התוצאות הללו מאפשרות לנו לבחון יותר לעומק את שני המודלים הקיימים, ומספר קבוצות מחקר, כולל קבוצת המחקר בה עשה כותב הפוסט את התואר השני שלו, אף הציגו השערות שמדובר בהולכה מעורבת של שני המודלים – הולכה מתכתית לאורך חלקים מסוימים של החוט, ו"קיפוץ" באחרים.

למה חשוב לנו להבין את מנגנון נשימת המתכות? מעבר לכך שמדובר בשאלה מחקרית מעניינת, החיידקים האלו עשויים לסייע לנו בפתרון כמה מהבעיות הגדולות של המאה ה-21, בהן זיהום מקורות מים במתכות כבדות וייצור אנרגיה מתחדשת. אחד האתגרים בטיהור מים הוא הוצאת תחמוצות של מתכות כבדות, אשר הופכות את המים ללא ראויים לשתייה או לשימוש בחקלאות. עוד לפני שגילו את החוטים הללו, מצאו שהחיידקים הללו מסייעים בפירוק תחמוצות של מתכות כבדות במים, לצורת המתכת היסודית (והלא רעילה שלה) כחלק מתהליך הנשימה שלהם. נמצא שהחיידקים הללו מסוגלים לצמצם זיהומים של אורניום, פלוטוניום, ברזל, כרום וארסן על ידי יצירת משקעים לא מסיסים שלהם שאותם ניתן לסנן החוצה ממקור המים[5], [8]–[10].

כמו כן, החוטים החיידקיים יכולים לשפר את ייצור הזרם החשמלי בסוללות מבוססות חיידקים, על ידי הגדלת שטח הפנים הפעיל בסקלות ננומטריות ושיפור המגע עם האלקטרודות. סוללות אלו משתמשות בפסולת או במי שופכין כדי לייצר חשמל, עם תוצרי לוואי שימושים כגון מתאן או מימן, ומציעות לנו מקור אנרגיה שמשתמש בפסולת ובתוצרי לוואי של תהליכים אחרים כדי לתת לנו מוצר נדרש – חשמל[5], [10].

למרות שעדיין איננו יודעים הכל על חיידקים הללו, הם מציגים בפנינו שאלות מעניינות, ואף לא מעט פתרונות. לא רע בהתחשב שכל מה שהם מנסים לעשות זה בסך הכל לנשום.

בתמונת הפוסט: ביופילם (Biofilm) של חיידקים אנארוביים "נושמי" גופרית בשם Desulfovibrio desulfuricans שגדלו על פני המטיט (תחמוצת ברזל). חיידקים אלו נחקרים בשל יכולתם לחזר וצמצם מתכות רעילות וגרעיניות כגון כרום ואורניום באדמה ובמי-תהום. זוהי תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני סורק (SEM), במקור בשחור-לבן, שנצבעה. ביופילם הם מושבות מורכבות של מיקרואורגניזמים שנדבקים למשטחים כמו שיניים או סלעים בנהר. הם מורכבים מקבוצות מסודרות בתוך מטריצת רב-סוכרים, שמופרדות זו מזו על ידי ערוצי מים.

מקורות:

1.  הערך חצמון חיזור בויקיפדיה
2.  Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks
3. פוסט שלנו בסדרת מצב מוצק 1 - על גבישים ואלקטרונים
4. Lack of cytochrome involvement in long-range electron transport through conductive biofilms and nanowires of Geobacter sulfurreducens - Energy & Environmental Science (RSC Publishing)
5. Microbial nanowires: an electrifying tale | Microbiology
6. Cryo-EM reveals the structural basis of long-range electron transport in a cytochrome-based bacterial nanowire
7. Structure of Microbial Nanowires Reveals Stacked Hemes that Transport Electrons over Micrometers
8. Live wires: direct extracellular electron exchange for bioenergy and the bioremediation of energy-related contamination - Energy & Environmental Science (RSC Publishing
9.  Plutonium(IV) Reduction by the Metal-Reducing Bacteria Geobacter metallireducens GS15 and Shewanella oneidensis MR1
10. Electrically conductive bacterial nanowires produced by Shewanella oneidensis strain MR-1 and other microorganisms