Кабельные бактерии формируют внутри своих клеток никелевые проводящие структуры.

Уже более десяти лет науке известно, что в донных отложениях рек и морей обитают многоклеточные бактерии, которые способны передавать электрический ток на расстояние в несколько сантиметров — это в тысячи раз превышает их собственную длину. Механизм такого переноса долго оставался непонятным, ведь биологические системы не приспособлены к столь дальнему перемещению электронов. В свежем исследовании учёные из Антверпенского университета изучили эти структуры с атомной точностью и обнаружили внутри не привычные белки или железосерные комплексы, а настоящий металл-органический каркас. Подобные материалы химики обычно создают искусственно для электроники, и ранее считалось, что живые организмы их не производят.

Эти нитевидные бактерии достигают длины в несколько сантиметров и обитают на границе кислородной и бескислородной среды. Глубинные клетки получают электроны от сероводорода, а поверхностные отдают их кислороду, причём ток проходит через общие волокна, разделяя процессы окисления и восстановления в пространстве. Ранее группа показала, что проводимость этих волокон составляет около 500 сименс на сантиметр, а перенос электронов идёт через никелевые центры, а не через типичные для биологии железосерные кластеры.

Для разгадки авторы применили электронную микроскопию, рентгеновскую спектроскопию и компьютерное моделирование. Выяснилось, что в центральном канале каждого волокна находится примерно одиннадцать нанолент толщиной около 1,4 нанометра, скрученных как многожильный провод. Руководитель исследования Филип Мейсман отметил, что конструкция напоминает обычный кабель, и эволюция создала её за 600 миллионов лет до появления электриков.

Сердцевину проводимости образует комплекс NiBiD, где атом никеля связан с четырьмя атомами серы. Такие плоские элементы складываются в стопки, создавая общие электронные облака, что характерно для проводящих полимеров. Ток движется не между отдельными металлическими точками, а по делокализованной сети, как в синтетическом проводнике. Биологи впервые увидели металл-органический каркас, выращенный живым существом.

Если оценивать проводимость только нанолент, она достигает от 150 до 15 000 См/см. Нижняя граница уже сопоставима с промышленными чернилами для печати, а при подтверждении верхней — это станет рекордом для биоматериалов. Сейчас исследователи пытаются подключить отдельные наноленты к микроэлектродам для прямых измерений.

Практический интерес заключается и в способе получения: бактерии сами собирают упорядоченные наноленты в водной среде при комнатной температуре, что гораздо дешевле энергозатратного синтеза полимерных проводников. Мейсман считает наиболее вероятным применением гибкую печатную электронику, но для этого нужно доказать экономическую целесообразность и сопоставимое качество. Главным барьером остаётся стоимость масштабирования — необходимо показать, что биоматериал можно производить выгодно и он не уступает современным аналогам.

а — участок волокнистого скелета, состоящий из двух параллельных волокон, где наблюдаются извилистые электронно-плотные каналы в виде нанолент, длина шкалы 100 нм; b–d — HAADF-STEM-EDX-снимки фрагмента с четырьмя волокнами, шкалы 500, 400 и 400 нм соответственно; e–g — одиночное волокно, в середине которого прослеживаются перекрученные наноленты, шкала 50 нм.

Источник изображения: Meysman, F.J.R., Smets, B., Hidalgo-Martinez, S. et al. Highly efficient long-range conduction through a biosynthetic nickel-organic framework. Nat Commun 17, 8814 (2026)