Elektrik Üretebilme Yeteneğine Sahip Bakteri: Geobacter sulfurreducens

Geobacter sulfurreducens, sülfür ve metal indirgeyici özellikte, gram-negatif hücre duvarına sahip bir protobakteri türüdür. Zorunlu anaeroptur ve fermentasyon yapmaz. Çubuk şekilli olup, flagella (kamçı) ve pili (uzun, ekstraselüler tüp) adı verilen hücresel uzantılara sahiptir. Yine Geobactereceae familyasından gelen Geobacter metallireducens ile yakın akrabalığı bulunur. Geobacter cinsi altında bulunan 20 farklı türden biridir.

Mikroorganizmalar yaşayabilmek için elektron transferi sayesinde elde ettikleri elektrik akımına ihtiyaç duyarlar. Hücrede bulunan bir elektron kaynağı molekül (donör) ve karşısında da elektron kabul eden molekül (akseptör), bahsedilen elektron transferinden sorumludur. İnsanlarda ve diğer memeli canlılarda, oksijen, elektron reseptörü olarak görev alır. Bazı mikroorganizmalar, elektron transferini gerçekleştirebilmek için bazı kimyasal taşıyıcılara ihtiyaç duyarken bazılarıysa elektron kabul edici moleküle direkt temasla ulaşabilmek adına çeşitli adaptasyonlar geliştirmiştir. Örneğin G. sulfurreducens bakterileri bu görevi, farklı hücresel uzantılarından yararlanarak gerçekleştirmektedir. G. sulfurreducens türü bakteriler, elektrik akımı üretebilme yeteneklerinden dolayı “eletrikliler” olarak da anılırlar. Bu tip bakterilerde bulunan pili uzantıları sayesinde bakteri, ekstraselüler alanında bulunan elektron kabul edici bileşene ulaşmak adına pililerinden yararlanır. Pili uzantıları maksimum 20 mikron uzunluğuna ulaşabilen nanotellerdir. Oysa bakteri genellikle sadece 1 mikron uzunluğundadır!

Microbial nanowires: an electrifying tale, PDF

“Elektron sıçraması” olarak adlandırılan bir işlemde elektronlar, protein ipliklerinde yüklü alanlardan aşamalı olarak atlayarak telden aşağıya aktarılır. Bu da başarılı bir elektrik akımı oluşmasına sebebiyet verir. Bakterideki asetat anyonu elektron kaynağı, ekstraselüler alanında bulunan demir ve sülfür gibi mineraller ise elektron kabul edici faktörler olarak elektrik akımı oluşmasında rol oynar. Daniel Bond ve Derek Lovely tarafından 2003 yılında yapılan bir araştırma G. sulfurreducens'in elektrik iletme yeteneği nedeniyle etkili ve uzun ömürlü bir mikrobiyal yakıt hücresi (MFC) yaratma olasılığının bulunduğunu gösterdi. Hücreler elektriği iletmede ve elektronları elektriğe dönüştürmede o kadar başarılı ki, bunun da elektriğin uzun süre çalıştırılmasını mümkün kılabileceği düşünülüyor. 

Bu yeni elektron transfer formunun aydınlatılması, Geobacter'in organik ve metal kirletici maddelerle kirlenmiş yeraltı suyunun biyolojik olarak bozulmasına katkıda bulunabileceği mekanizmalar hakkında fikir verir. Biyolojik olarak, nanoelektronik cihazların, sensörlerin ve mikrobiyal esaslı yakıt hücrelerinin geliştirilmesinin önünü açabilir.