Etiket: elektron

Geçtiğimiz yıl biyofizikçi Moh El-Naggar ve lisansüstü öğrencisi Yamini Jangir, Güney Dakota’da bulunan ve şu anda ünlü karanlık madde deneyi LUX‘a ev sahipliği yapan eski bir altın madenine indiler. Bugünlerde orayı tavaf eden pek çok bilimcinin aksine, El-Naggar ile Jangir’in orada olma nedeni atomaltı parçacık avlamak değildi. İkili madenin geçit tünelleri ağında paslanmış bir metal boru buldu. Borunun içinde kalan suyun bir kısmını sifonla çekip, bir kaba yönlendirdiler ve çeşitli elektrotlar yerleştirdiler. Şimdiye kadar çok az incelenebilmiş olan avlarını, yani saf elektrikle beslenen mikrobu, işte bu akımla cezbetmeyi umuyorlardı.

Araştırmacıların peşinde olduğu elektrik yiyen mikroplar, bilim dünyasının yeni yeni anlamaya başladığı çok daha geniş bir organizmalar sınıfına ait. Genellikle insan eli değmemiş ortamlarda yaşıyorlar: Denizlerin derinliklerindeki hava baloncuğu alanlarında, gezegen yüzeyinin derinliklerindeki zengin mineral yataklarında, okyanus tabanının birkaç santim altındaki çöküntülerde… Bu mikroplar yaşamın büyük ölçüde görmezden gelinmiş bir parçasını temsil ediyorlar. Bunun bir nedeni de, tuhaf yaşam alanlarının onları laboratuvar ortamında yetiştirmeyi aşırı zorlaştırmasından kaynaklanıyor.

Yapılan araştırmalar bu canlılardan bolca bulunduğunun da işaretini veriyor. Güney Kaliforniya sahili açıklarında bulunan Katalina Adası’na yakın deniz tabanından toplanan örnek mikroplar, şaşırtıcı bir çeşitlilik sergiliyor. Bu canlılar mineral veya metal yiyip soluyor ve elektron tüketip salıyor. El-Naggar’ın ekibi altın madeninden elde ettikleri verileri çözümlemeye devam ediyor ve şu ana kadar yaptıkları çıkarımların Katalina bulguları ile uyumlu olduğunu belirtiyorlar. Bilimciler şu ana kadar bu mikropları bulabileceklerini düşündükleri bir yerde (minerali bol, oksijeni az yerlerde) ne zaman arasalar, hep buldular.

Elektron yiyicilerin sayısı artarken, bilimciler onların nasıl işlediğini de anlamaya başladı. Bir mikrop bir parça metalden nasıl elektron koparıp yiyebilir? İşi bittiğinde de nasıl elektronu ortama geri salabilir? Geçtiğimiz yıl yayımlanan bir çalışmada, bu mikroplardan birinin elektriksel avını nasıl yakalayıp tükettiği açığa çıkarılmıştı. Henüz yayımlanmamış olan bir başka çalışma ise metal yiyicilerden bazılarının elektronları doğrudan zarlarından aktardığına işaret ediyor; ki bunun imkansız olduğu sanılıyordu.

Elektrik Yiyiciler: Bazı mikroplar sırf elektriğe dayalı bir yaşam sürebilir. Doğrudan Alım (mor mikrop): Bazı durumlarda mikrop, elektrottan bir elektronu doğrudan emebilir. Dolaylı Alım (yeşil mikrop): Diğer mikroplar elektrottan bir elektron alıp, sudan aldığı protonla çiftleyen bir enzim salgılar. Mikrop, ortaya çıkan hidrojen ile beslenir.

Taş Yiyiciler

Elektrik yemek çok acayip gibi görünse de, aslında yaşamın merkezinde elektrik akımı vardır. Tüm organizmalar enerji üretmek ve depolamak için bir elektron kaynağına gereksinim duyar. Ayrıca işleri bittiğinde bu elektronlardan kurtulabilmeleri de gerekir. Nobel ödüllü fizyolog Albert Szent-Györgyi bir keresinde bu canlıları tanımlarken şöyle demiştir: “Yaşam, dinlenecek yer arayan bir elektrondan başka bir şey değildir.”

İnsanlar ve diğer canlıların çoğu elektronlarını yiyeceklerden sağlar ve solunum yoluyla onları dışarı atar. El-Naggar ve diğer bilimcilerin yetiştirmeye çalıştığı mikroplar, “taş yiyiciler” (İng. lithoautotrophs) adı verilen bir gruba aitler. Bu canlılar demir, sülfür ve manganez gibi inorganik maddelerden enerji toplar. Doğru koşullar altında, sadece elektriğe bağlı olarak yaşayabilirler.

Bu mikropların görünüşte elektronları mideye indirebiliyor olması (“doğrudan elektron aktarımı” olarak da bilinir) çok ilgi çekici. Çünkü biyofiziğin temel kurallarını ihlal ediyor gibi görünüyor. Hücreleri çevreleyen yağlı zarlar yalıtkan görevi görerek, elektronların geçmesinin mümkün olmadığı düşünülen, elektriksel olarak nötr bir alan oluşturur. “Hiç kimse bir bakterinin hücrenin içinden bir elektron alıp, dışarı taşıyabileceğine inanmak istemedi,” diyor jeobiyolog Kenneth Nealson¹.

1980’lerde Nealson ve çalışma arkadaşları, katı minerallere doğrudan elektron aktarabilen şaşırtıcı bir grup bakteri keşfetmişti. Bu işin ardında yatan moleküler mekanizma ise ancak 2006 yılında anlaşılabildi. Hücre zarında bulunan üç adet özelleşmiş protein, elektronları hücrenin dışına aktaran iletken bir köprü inşa ediyordu². (Bilimciler elektronların zar boyunca kendi başlarına geçip geçmediklerini hala tartışıyor.)

Bu elektron bağışçılarından esinlenen bilimciler, mikropların tam tersini de yapıp yapamayacağını merak etmeye başladı. Enerji kaynağı olarak doğrudan elektron sindirebilirler miydi? Metanojen adı verilen bir mikrop grubuna odaklandılar. Metan yapmalarıyla ünlü olan bu mikropların çoğuna tam bir metal yiyici denemezdi. Fakat 2009 yılında Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nden çevre mühendisi Bruce Logan ve çalışma arkadaşları, ilk kez olarak bir metanojenin sadece bir elektrottan gelen enerjiyi kullanarak hayatta kalabileceğini gösterdi³. Ekip mikropların elektronları doğrudan emdiğini öne sürdü. Bunu, elektron üreticilerin elektronların hücre dışına atmak için kullandığına benzer bir köprü ile yapıyor da olabilirlerdi. Fakat doğrudan kanıt bulunamadı.

Geçtiğimiz yıl Stanford Üniversitesi’nden mikrobiyolog Alfred Spormann ve çalışma arkadaşları, Logan’ın kuramında bir açık yakaladı. Bu organizmaların elektrotlar üzerinde çıplak elektron yemeden hayatta kalabilecekleri bir yol olduğunu gösterdiler⁴. Spormann’ın incelediği mikrop olan Methanococcus maripaludis, elektrotun yüzeyine yapışan bir enzim salgılıyordu. Enzim, elektrottaki elektronlardan biri ile sudaki protonlardan birini çift haline getirerek, bir hidrojen atomu yaratıyordu. Metajonler arasında bu iyi bilinen bir besin kayanğıdır. “İletken bir patikaya sahip olmak yerine enzim kullanıyorlar. İletken malzemelerden bir köprü inşa etmelerine gerek kalmıyor,” diyor Minnesota Twin Cities Üniversitesi’nden mikrobiyolog Daniel Bond.

Mikroplar çıplak elektron yemiyor olmakla birlikte, sonuç yine de şaşırtıcı. Enzimlerin çoğu hücre içinde iyi çalışır ama dışarda verimi hızla düşer. “Burada alışılmadık olan, enzimlerin elektrot yüzeyinde toplandıklarındaki durağanlıkları,” diyor Spormann. Önceki deneylerde bu enzimlerin hücre dışında sadece birkaç saat aktif kalabildiklerini düşündürecek sonuçlar elde edilmişti. Fakat Spormann’ın ekibi 6 saate kadar aktif kalabildiklerini gösterdi.

Spormann ve meslektaşları yine de hala metanojenlerin ve diğer mikropların doğrudan elektrik emebileceğini düşünüyor. “Bu doğrudan elektron aktarımına alternatif olan bir mekanizma ve doğrudan elektron aktarımının yapılamayacağı anlamına gelmiyor,”diyor Cornell Üniversitesi’nden çevre mühendisi Largus Angenent. Spormann, kendi ekibinin çıplak elektron alma becerisi olan bir mikrop bulduğunu da ekliyor. Fakat henüz ayrıntıları yayımlamadılar.

Bilimciler suya elektrik akımı aktararak, mikropları çekmeye çalışıyor. (Telif: Connie A. Walter &Matt Kapust)

Mars’taki Mikroplar

Gezegendeki tüm organizmaların çok küçük bir bölümü, sadece %2 kadarı laboratuvarda yetiştirilebiliyor. Bilimciler, bu yeni yaklaşımlar (mikropları geleneksel kültür sistemleri içinde değil, elektrot üzerinde yetiştirmek) sayesinde şimdiye dek incelenemeyen mikroplar üzerinde de çalışabilmeyi umuyor. “Minerallerin yerine elektrot kullanmak, bu alanı açıp genişletmemize yardımcı oldu. Artık bakterileri yetiştirmek ve solunumlarını izleyerek fizyolojilerini görmek için bir yönteme sahibiz,” diyor Dr. Annette Rowe. Kendisinin bu konuda başarılı çalışmaları var.

2013 yılında Rowe, Kaliforniya’nın Katalina Adası’nı çevreleyen demirce zengin çöküntülerde mikrop aramaya gitmiş. Elektriksel mikropların en az 30 yeni çeşidini keşfeden Rowe, bulgularını geçen yıl yayımladı⁵. Bu çalışmadan önce mikropların inorganik maddelerden elektron çekebildiğini kimse bilmiyordu. Bu beklenmedik bir şeydi. Balıkçıların balıkları çekmek için farklı yemler kullanması gibi, Rowe farklı gerilimlerdeki elektrotlar kullanarak değişik mikroplar yakaladı. Ağına bir şey takıldığını akımın değişmesinden anlıyordu. Mikroplar negatif elektrottan elektron emdiğinden, metal yiyiciler negatif bir akım üretiyordu.

Rowe’un topladığı farklı bakteri türleri, değişik elektriksel koşullar altında gelişiyordu. Bu da onların elektron yemek için farklı stratejilere başvurduklarına işaret ediyor. “Her bakteri farklı enerji düzeylerinde elekton alımı gerçekleştiriyor. Bu da farklı yolların işareti olmalı diye düşünüyoruz,” diyor Rowe. Şu anda başka mikroplar için yeni ortamlarda arama yapan Rowe, asitliği düşük derin kaynaklardan gelen sıvılara yoğunlaşmış. Ayrıca El-Naggar’ın altın madeni deneyine de katkıda bulunuyor.

Mikropların katı yüzeylerle bu tür bir beslenme ilişkisi geliştirebileceğinin daha çok yeni anlaşıldığını söyleyen El-Naggar, araştırmalarının dünya üzerinde yaşamın nasıl başladığına ilişkin yanıtlar da sağlayabileceğini ifade ediyor. Yaşamın kökenine ilişkin kuramlardan birinde, mineral yüzeylerde başlamış olabileceği tahmin ediliyordu. Araştırmalar buna ilişkin kimi boşlukları doldurabilir.

Dahası, yüzeyin altındaki metal yiyiciler, başka gezegenlerdeki yaşama ilişkin de ipucu verebilir. Belki de uzaylı mikroplar gezegen yüzeyinin altında gizlidir. El-Naggar, Mars gibi uç koşullara sahip ortamlarda yaşam formları bulma olasılığının kendisini heyecanlandırdığını belirtiyor. Altın madeninde yürüttüğü deneyin finansmanını NASA’nın Astrobiyoloji Enstitüsü’nün karşıladığını da ekleyelim. Mars, demir bakımından zengin bir gezegendir ve yüzeyinin altında su akıntıları bulunuyor. “Eğer demirden elektron alabilen bir sisteminiz ve biraz suyunuz varsa, işleyen bir metabolizmaya gerekecek tüm malzemeniz var demektir,” diyor El-Naggar. Bu da Mars’ta metal yiyicilerin bulunmasının hiç de zor olmadığı anlamına geliyor.

Yamini Jangir, Moh El-Naggar’ın laboratuvarında çalıştığı dönemde Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi’ndeki bir borudan su örneği alırken görülüyor. (Telif: Connie A. Walter &Matt Kapust)

Kaynaklar:

• Bilimfili,
• Quanta Magazine, “New Life Found That Lives Off Electricity”
  < https://www.quantamagazine.org/20160621-electron-eating-microbes-found-in-odd-places/ >
• Quanta Magazine, “How to Grow Metal-Eating Microbes”
  < https://www.quantamagazine.org/20160621-how-to-grow-metal-eating-microbes/ >

Notlar:
[1] 

[2] Gorby YA, Yanina S, McLean JS, Rosso KM, Moyles D, Dohnalkova A, Beveridge TJ, Chang IS, Kim BH, Kim KS, Culley DE, Reed SB, Romine MF, Saffarini DA, Hill EA, Shi L, Elias DA, Kennedy DW, Pinchuk G, Watanabe K, Ishii S, Logan B, Nealson KH, Fredrickson JK. Electrically conductive bacterial nanowires produced by Shewanella oneidensis strain MR-1 and other microorganisms. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006 Jul 25;103(30):11358-63. Epub 2006 Jul 18.
[3] Cheng S, Xing D, Call DF, Logan BE. Direct biological conversion of electrical current into methane by electromethanogenesis. Environ Sci Technol. 2009 May 15;43(10):3953-8.
[4] Deutzmann JS, Sahin M, Spormann AM. Extracellular enzymes facilitate electron uptake in biocorrosion and bioelectrosynthesis. MBio. 2015 Apr 21;6(2). pii: e00496-15. doi: 10.1128/mBio.00496-15.
[5] Rowe AR, Chellamuthu P, Lam B, Okamoto A, Nealson KH Marine sediments microbes capable of electrode oxidation as a surrogate for lithotrophic insoluble substrate metabolism. Front Microbiol. 2015 Jan 14;5:784. doi: 10.3389/fmicb.2014.00784. eCollection 2014.