החיידקים שנושמים... חשמל

בשנים האחרונות הולך ומתברר שהחיידקים החיים במעיים שלנו משרתים אותנו בשלל דרכים שלא הכרנו עד כה – למשל  סיוע בעיכול, עזרה למערכת החיסון, פירוק רעלנים ואף השפעה על המוח. מחקר חדש מגלה שחיידקי מעיים רבים מסוגלים גם לייצר חשמל במנגנון חדש שלא הכרנו עד כה.

כמו כל היצורים החיים, חיידקים צריכים אנרגיה לביצוע  פעולות בסיסיות כמו תחזוקה עצמית, רבייה, השגת מקורות מזון והפרשת פסולת. האנרגיה מיוצרת בתהליך הנשימה התאית, שבמהלכו מולקולות אורגניות מתפרקות ויוצרות את מולקולת ה-ATP,  המשמשת כ"מטבע האנרגיה" של התא.

חיידקים יכולים לבצע נשימה תאית באמצעות שני תהליכים – תסיסה ונשימה. תסיסה היא תהליך בסיסי שמאפשר לחיידקים לפרק סוכרים ולייצר מהם כמויות קטנות יחסית של אנרגיה, אך היא אינה דורשת תחזוקה של מערכות תאיות מורכבות ויכולה להתקיים בסביבה נטולת חמצן. בשונה מהתסיסה, הנשימה מייצרת אנרגיה רבה מתוך מגוון מולקולות אורגניות (סוכרים, חלבונים ושומנים) בתהליך מורכב שמערב עשרות חלבונים הפועלים בתיאום.

דופן החיידק יוצר שלוחות המעבירות אלקטרונים למינרלים מרוחקים. חיידקי ליסטריה | איור: Shutterstock

לנשום בלי חמצן

אחד המרכיבים החשובים ביותר בתהליך הנשימה הוא קולטי אלקטרונים – מולקולות שיכולות לקשור אליהן אלקטרונים שמשתחררים במהלך הפירוק של המולקולה האורגנית. חלק גדול מהחיידקים משתמשים כך בחמצן (נשימה אווירנית), אך יש גם חיידקים שחמצן רעיל עבורם או שחיים בסביבות נטולות חמצן. חיידקים כאלה גדלים על מינרלים ומתכות כמו ברזל, מנגן וגופרית ומבצעים נשימה אל-אווירנית שבמהלכה אלקטרונים מועברים אל המינרל שעליו גדל החיידק.

הוצאת האלקטרונים מהתא אינה מלאכה פשוטה ודורשת מערכת של העברת אלקטרונים חוץ תאית (Extracellular Electron Transfer או EET בקיצור). במערכת הזאת חלבונים שמכילים אטום ברזל נושאים את האלקטרונים אל המינרל שעליו החיידק גדל, או שדופן התא של החיידק יוצרת שלוחות דמויות שערות (microwires) שמגיעות למינרלים רחוקים.

הנשימה האל-אווירנית מוכרת למדע כבר זמן רב, אך עד לאחרונה חשבו שהיא מוגבלת לחיידקים שחיים בסביבות אקזוטיות כמו מעמקי הים או מתחת לאדמה. המחקר החדש שפורסם בכתב העת Nature מראה כי מין של חיידק הליסטריה (Listeria monocytogenes) מסוגל לבצע EET באמצעות מנגנון ייחודי.

הליסטריה הוא חיידק מחולל מחלות  שחי באדמה ומגיע למערכת העיכול בתוך מזון מזוהם. המעיים מספקים לו סביבה עשירה במזון אך נטולת חמצן ומשקעי מינרלים, כך שמדענים סברו עד היום שהחיידק מייצר שם אנרגיה באמצעות תסיסה.

אנרגיה במעיים

המחקר חושף מערכת EET ייחודית, שבמקום נושאי אלקטרונים המכילים ברזל משתמשת בחלבון בשם PplA, שמכיל שתי קבוצות כימיות בשם פלאבין. קבוצות אלו יכולות להעביר אלקטרונים באמצעות פירוק קשרים כימיים בתוך המולקולה והחלפתם בקשרים עם מולקולות מימן נושאות אלקטרונים. כדי לבחון את פעילות ה-EET של חיידקי הליסטריה, תמיסה של חיידקים אלו הוכנסה למיכל חסר חמצן שאינו מאפשר לחיידקים לבצע נשימה אווירנית.

החוקרים מדדו את הזרם החשמלי בתמיסה בעזרת אלקטרודה, וגילו שחיידקי הליסטריה מייצרים זרם חשמלי, אך רק כשהתמיסה הכילה גלוקוז המשמש כמולקולה אורגנית לפירוק. מערכת ה-EET של הליסטריה פשוטה יותר מזו של חיידקים שמתמחים בנשימה אל-אווירנית של מינרלים ומתכות, אך דורשת מהתא פחות עבודת תחזוקה ומקילה את המעבר מהסביבות העשירות בחמצן שמחוץ לגוף אל חלל המעי. עדיין לא ברור מהן המולקולות שקולטות את האלקטרונים מהליסטריה, אך משערים שמדובר בתרכובות אורגניות שקיימות באדמה, קבוצות סולפט שקיימות בחלבונים בתוך המעי ואף למולקולות של חיידקים אחרים.

המחקר החדש שופך אור על האופן שבו חיידק הליסטריה מייצר אנרגיה במעי. כשהחוקרים השוו את הרצף הגנטי של מערכת ה-EET של הליסטריה לרצפים גנטיים של חיידקי מעיים אחרים, הם גילו גֵנים דומים במאות מינים אחרים של חיידקים. הגילוי מראה שייתכן מאוד שתופעת ה-EET אינה ייחודית לליסטריה, אלא נפוצה אצל חיידקי מעיים רבים אחרים.