Bakteriler, geçmişten günümüze birçok bilimsel keşfe ve teknolojik gelişmelere katkı sağlamıştır. Yeni keşfedilen bir bakteri enziminin havadaki hidrojeni elektrik enerjisine dönüştürebildiği tespit edilmiştir. Bu enzim, gelecekte alternatif sürdürülebilir enerji kaynağı olma potansiyeli taşımaktadır.
Dünyanın en yaşlı canlılarından biri olan bakteriler bugüne kadar biyoloji ve kimya gibi temel bilim alanlarında çok önemli bilgiler edinmemizi sağlamıştır. Doğanın gerçek ustaları olarak bilinen bakteriler, genetik mühendislikte kullanılan klonlama gibi bazı teknolojileri bilim insanlarına öğretmiştir. Bugünde bakteriler üzerinde yeni yapılan bir keşif gelecek için sürdürülebilir enerji kaynağı ihtiyacımıza cevap olabilir. Bazı bakterilerin havadaki hidrojeni kullanarak enerji elde etmesini sağlayan bir enzim bulunmuştur. Enzim sayesinde çok az miktarda hidrojene maruz kalan bakterinin doğrudan elektrik akımı üretebildiği bulunmuştur.
Nature Dergisi’nde yayımlanan araştırmaya göre bakteride bulunan bir enzim, gelecekte sürdürülebilir havayla çalışan küçük cihazlara güç sağlamak için önemli bir potansiyele sahip olabilir. Araştırmacılar toprakta bulunan Mycobacterium smegmatis bakterisinin genetik kod analizini yapmışlar, solunum için havadaki hidrojeni kullanan bu bakterinin yapısında aldığı hidrojeni elektrik enerjisine çevirebilen enzim genlerinin bulunduğunu tespit etmişlerdir. Bu genler ile kodlanan enzim havayı elektrik enerjisine çevirebilen bir mekanizmaya sahiptir. Hidrojenaz enzim sınıfına ait olan bu enzime “Huc” ismi verilmiştir.
Hidrojen Nasıl Elektriğe Dönüşüyor?
Hidrojen, iki negatif yüklü elektron tarafından oluşturulan bir bağ ile bir arada tutulan ve iki pozitif yüklü protondan oluşan en basit moleküldür. Huc enzimi, elektronlar arasındaki bağı koparır, protonlar birbirinden ayrılır ve elektronlar serbest kalır. Serbest kalan elektronlar, bakterinin enerji ihtiyacını karşılamak için mitokondriye gönderilir. Elektronlar mitokondride elektriğe dönüştürülür.
Hidrojen, atmosferde yalnızca %0.00006 oranında bulunmaktadır. Bu kadar az orandaki bir gazı atmosferden alıp tüketmek şimdiye kadar bilinen enzimlerle mümkün görünmüyordu. Ayrıca atmosferde bol miktarda bulunan oksijenin, hidrojen tüketen bir enzimin aktivitesini kötü yönde etkilediği bilinmektedir. Huc enzimi bu bağlamda da oldukça ilgi çekicidir.
Araştırmacılar incelemek için enzimi bakteriden izole etmiş ve hassas cihazların algılayamadığı çok az miktardaki enzimin, hidrojeni bile algılayıp elektriğe dönüştürebildiğini tespit etmişlerdir. Ayrıca diğer hidrojen tüketen enzimlerin aksine huc enziminin oksijen tarafından çalışmasının engellenmediği gözlemlenmiştir.
Enzimler Gelecekte Elektrik Kaynağı Olarak Kullanılabilir
Bakteriler bugüne kadar biyoyakıt üretiminden şeker hastaları için insülin üretimine kadar birçok farklı alanda kullanılmaktadır. Keşfedilen bakteri türleri ve türlerin sahip oldukları enzimler bu alandaki gelişmelerin temelini oluşturmuştur. Bakteriler, gelecek için sürdürülebilir enerji kaynağı arayışımıza huc enzimi ile yeni bir çözüm oluşturabilir. Bunun için gerekli teknik süreçlerin sağlanması gereklidir. Huc enziminin üretilmesi için laboratuvar ortamında yeterince bakteri yetiştirilmelidir. Elde edilen bakterilerden sürdürülebilir bir şekilde huc enzimi izole edilebilecek yöntemler geliştirilmelidir. Beraberinde enzimleri bozulmaya karşı koruyarak elektrik enerjisine dönüştürecek bir sistem de geliştirilmelidir. Huc enziminin havadan elektrik akımı üretebilen doğal bir pil gibi çalışması, gelecek için alternatif sürdürülebilir enerji kaynağı olma potansiyeli taşıyor.
Bu çalışmanın dışında bakteriler, bizim için yalnızca bir enerji kaynağı değil yaşamımızı devam ettirebilmemiz için uygun koşulları sağlayan canlı yapılardır. Bakterilerin bizimle bağlantısını anlamak için önce bakteri çeşitliliğini anlamalıyız. Onların doğadaki görevlerine kısaca bir göz attığımızda bizimle bağlantıları ve bakteri üzerinden yapılan keşiflerin bizler için önemi daha iyi anlaşılacaktır.
Bakteriler ve Bakteri Çeşitliliği
Bakteriler tek hücreli mikroorganizmalardır. Buna rağmen farklı özellikleri olan milyarlarca çeşit bakteri vardır. Bakterilerin tek hücreli olup bu kadar çeşitlilik göstermesi oldukça şaşırtıcıdır. Bu kadar çeşitliliğe sahip olan bakterileri sınıflandırmak zor olabilir. Ancak genel olarak bakteriler yaşam alanlarına, metabolizmalarına ve şekillerine göre sınıflandırılabilir.
Bakteriler:
Yaşam alanlarına göre; oksijensiz ortamda yaşayan, oksijenli ortamda yaşayan, her iki ortamda da yaşayabilen; şekillerine göre ise yuvarlak, çubuk ve spiral olarak sınıflandırılırlar. Metabolizmalarına göre; fotootroflar, litotroflar ve organotroflar olarak sınıflandırılırlar.
Bakteriler, bildiğimizin aksine canlıların yaşaması için gerekli olan sıcaklık, su, hava gibi ideal koşulların dışında yaşayabilmektedir. Örneğin, volkanik bir dağda hiçbir canlının yaşayamayacağını düşünebilirsiniz ancak bu ortamda yaşayabilen bakteri türleri vardır. Benzer olarak aşırı soğuk ve aşırı tuzlu ortamlarda yaşayan arkealar örnek olarak verilebilir. Böyle ekstrem türlerin yanında toprakta, su birikintisinde, derimizin üzerinde ve buna benzer birçok ortamda hatta neredeyse düşünebileceğiniz her ortamda yaşayan bakteri türleri de vardır.
Bakteriler, beslenme sürecinde enerji elde etmek için çeşitli metabolik yollar kullanabilirler. Bu yollar solunum (oksijenli veya oksijensiz), fermantasyon veya denitrifikasyon gibi farklı metabolik süreçleri içermektedir. Kullandıkları metabolik yollar ve enerji kaynaklarına göre bakteriler metabolik olarak sınıflandırılmaktadır.
Metabolizmalarına Göre Bakterilerin Sınıflandırılması
Ototrofik Bakteriler: Ototrofik bakteriler, kendi besin maddelerini sentezleyebilen organizmalardır. Bunlar iki ana kategoriye ayrılabilir:
a. Fotoototroflar: Güneş ışığından enerji üreten ve karbondioksiti karbon kaynağı olarak kullanan bakterilerdir. Fotosentez yaparak organik bileşikler sentezlerler. Örnek olarak siyanobakteriler (mavi-yeşil algler) verilebilir.
b. Kemoototroflar: Kimyasal bileşiklerin oksidasyonu ile enerji üreten ve bu enerjiyi karbondioksit asimilasyonunda kullanarak organik bileşikler sentezleyen bakterilerdir. Örnek olarak demir oksidasyonu ile enerji üreten demir bakterileri verilebilir.
Heterotrofik Bakteriler: Heterotrofik bakteriler, dışarıdan alınan organik bileşiklerle beslenen organizmalardır. Bunlar da iki ana kategoriye ayrılabilir:
a. Saprofitler: Çürümüş organik maddeyi besin olarak kullanırlar. Örneğin, toprakta bulunan bazı bakteriler çürümüş bitki malzemesini kullanarak beslenirler.
b. Parazitler: Diğer organizmaların içinde veya üzerinde yaşayan, onların besinlerini kullanarak beslenen bakterilerdir. Örneğin, insanlarda hastalıklara neden olan bazı bakteriler parazittir.
c. Simbiyotlar: Diğer organizmalarla karşılıklı yararlı bir ilişki içinde yaşayan bakterilerdir. Örneğin bağırsak florasındaki bazı bakteriler, sindirim sürecine yardımcı olarak hem kendileri hem de insan vücudu için faydalıdır.
Bakteriler çeşitli organik ve inorganik besin maddelerini kullanarak beslenir ve enerji elde ederler. Enerji kaynakları hidrojen, sülfür ve karbon olabilir. Bakterilerin bu kadar farklı kaynaktan beslenmesi aslında bizler için büyük bir avantajdır. Bakterilerin beslenmek için kullandıkları hidrojen, sülfür, azot gibi bileşenler faklı habitatlarda bulunur. Örneğin, azot ile metabolik faaliyetlerini gerçekleştiren rhizobium ciceri toprakta nohut gibi bazı bitkilerin köklerinde yaşarlar. Oksijen kullanan bakterilerin yaşam alanlarından biri okyanusken, yine organik bileşikler tüketen saprofit bakterilerin yaşam alanı topraktır. Bakterilerin çeşitli habitatlarda yaşaması madde döngülerinin tamamlanabilmesi için oldukça önemlidir. Yıldırım düşmesi ve organik bileşiklerin parçalanması sonucunda ortaya çıkan azotun toprağın içinde tutulması gerekmektedir. Böylece diğer canlı organizmalar tarafından kullanılabilir hale gelir. Azotun toprakta tutulması azotu nitrite, amonyuma ve nitrata dönüştüren aerobik bakteriler tarafından gerçekleştirilir. Okyanusta yaşayan bakteriler petrol atıklarını tüketerek okyanusun temizlenmesine ve oksijen üretilmesine katkı sağlar.
Soluduğumuz hava içerisinde bulunan oksijen, azot ve hidrojen miktarı sabit kalmalıdır. Havada fazla miktarda bulunan hidrojen, havanın solunamaz hale gelmesine sebep olabilir. Hidrojen tüketen bakteriler bu durumu engeller. Kulağa şaşırtıcı gelebilir ancak zor zamanlarda ve başka yiyecek bulunmadığında bazı toprak bakterileri enerji kaynağı olarak havada bulunan eser miktarda hidrojeni tüketebilir. Bakteriler her yıl yaklaşık 70 milyon ton gibi şaşırtıcı bir miktarda hidrojeni atmosferden uzaklaştırır. Atmosfer; %78 azot, %21 oksijen ve %1 helyum, argon ve hidrojen gibi asal gazların bileşiminden oluşmaktadır. Atmosferdeki bu gazların oranları sabit tutulmalıdır. Eğer bakteriler, atmosferden belli bir miktarda hidrojeni uzaklaştırmasaydı hidrojen miktarı artacaktı. Hidrojen, yanıcı bir gazdır ve diğer moleküllerle tepkimeye girme isteği oldukça yüksektir. Hidrojen miktarının artması sonucunda diğer gazlar arasında tepkimeler gerçekleşecek ve sabit tutulan oran tamamen yok olacaktır. Yani bakteriler atmosferdeki gaz oranlarının sabit kalması için tıpkı filtre gibi çalışır ve nefes alabilmemize olanak sağlar.
Bakteriler toprağın ve denizin temiz kalmasından soluduğumuz havanın bileşenlerinin dengede kalmasına kadar sayısız rol üstlenir. Bunlarla birlikte bakteriler, hızlı üreme ve kısa yaşam döngüsüne sahip olmalarından dolayı bilimsel çalışmalarda sıkça model organizma olarak kullanılmaktadır. Birçok bilimsel çalışma bakteriler sayesinde gerçekleştirilmiştir ve bugün bildiğimiz birçok biyolojik sürecin arka planını anlamamıza bakteriler yardımcı olmuştur. Bu bilgiler sayesinde biyoteknolojik gelişmelere katkı sağlamıştır. Huc enzimi de benzer şekilde gelecekte bizim için havadan elektrik üreten yeni bir biyoteknolojik gelişme ve sürdürülebilir bir enerji kaynağı olma potansiyeli taşıyor.
