科学家发现允许细菌呼出电的“秘密分子”

对于没有嘴、没有肺的细菌来说，呼吸比人类要复杂一些。我们吸入氧气，呼出二氧化碳；地杆菌--一种无处不在的、生活在地下水中的细菌属--吞噬有机废物，呼出电子，在这个过程中产生微小的电流。

这些废弃的电子总是需要有地方去(通常是进入丰富的地下矿物，如氧化铁)，而地质细菌有一种非常规的工具来确保它们到达那里。

位于康涅狄格州的耶鲁大学微生物科学研究所的助理教授尼基尔·马尔万卡尔(Nikhil Malvankar)在接受Live Science采访时表示，地质细菌通过本质上是巨型通气管的东西呼吸，体积是他们的数百倍。

这种通气管叫做纳米线。虽然这些微小的导电细丝比人类头发的宽度小10万倍，但它们能够穿梭数百到数千倍于单个Geobacter微生物身体长度的电子。多亏了这种适应，地质杆菌成为地球上最令人印象深刻的呼吸器之一。(马尔万卡尔说，你不能在你前面1000英尺(300米)的地方呼气，是吗？)。

在任何给定的时间，数十亿的细菌都在海底带着电嗡嗡作响。现在，在8月17日发表在“自然化学生物学”(Nature Chemical Biology)杂志上的一项新研究中，马尔万卡尔和他的同事们已经找到了如何将这些能量结合到一个强大的微生物电网中。

利用先进的显微镜技术，研究人员揭开了秘密分子的面纱，这种分子使地质杆菌能够在以前在细菌中未见过的非常长的距离内呼吸。研究小组还发现，通过用电场刺激地质细菌菌落，这些微生物的导电效率是它们在自然环境中的1000倍。

研究人员说，了解这些与生俱来的电适应能力可能是将地质杆菌菌落转化为活的、会呼吸的电池的关键一步。

马尔万卡尔说：我们相信这项[发现]可以用来制造电子产品，制造出你脚下的细菌。

研究作者说，在家中的地下深处，在潮湿、缺氧的土壤中，地质杆菌可以在恶劣的环境中生存，而其他微生物很少能做到这一点。纳米线允许它们在没有氧气的情况下呼吸，对于让Geobacter微生物在地下保持生命至关重要，那里的电子受体，如氧化铁，很少超过百万分之几米远。然而，在实验室中生长的土杆菌菌落并不总是能奢侈地生活在富含矿物质的地方。

在之前的研究中，Malvankar和他的同事发现，当暴露在小电极或导电圆盘中时，实验室培养的硫还原地杆菌微生物表现出另一个聪明的生存技巧。在电场的刺激下，这些微生物聚集成致密的生物膜--由数百个单独的微生物组成的相互连接的堆积，通过一个共享的网络移动电子。

马尔万卡尔说，它们堆积在一起，就像高层公寓一样，有数百层高。它们可以共享同一电网，不断地倾倒电子。

让马尔万卡尔和他的同事们恼火的一个大问题是，用他的话说，这座高层建筑第100层的微生物如何能够将电子一直发射到堆底，然后通过纳米线排出--有效地在数千倍于原始微生物身体长度的距离上呼出电子。马尔万卡尔说，这样的距离在微生物呼吸中是前所未见的，并强调了当谈到在恶劣环境中生存时，地质杆菌是多么独特。

为了揭开纳米线的秘密，这项新研究的作者使用两种尖端显微镜技术分析了实验室培养的地质细菌。第一种被称为高分辨率原子力显微镜，通过用极其灵敏的机械探针接触纳米线表面来收集有关纳米线结构的详细信息。

这有点像看盲文，但隆起的地方是十亿分之一米，该研究的主要作者、耶鲁大学微生物科学研究所的研究科学家西贝尔·埃布鲁·雅尔辛(Sibel Ebru Yalcin)告诉“直播科学”(Live Science)。

通过第二种名为红外纳米光谱的技术，研究人员根据纳米线散射进入的红外光的方式识别出纳米线中的特定分子。雅尔辛说，通过这两种方法，研究人员看到了组成Geobacter标志性纳米线的蛋白质中每种氨基酸的独特指纹。

研究小组发现，当受到电场刺激时，Geobacter会产生一种以前未知的纳米线，这种纳米线由一种名为OmcZ的蛋白质组成。这种蛋白质由名为血红素的微小金属积木组成，它产生的纳米线的导电效率是Geobacter在土壤中创造的典型纳米线的1000倍，从而使微生物能够将电子发送到前所未有的距离。

马尔万卡尔说，我们知道细菌可以发电，但是没有人知道它的分子结构。最后，我们发现了那个分子。

十多年来，研究人员一直在使用Geobacter菌落为小型电子产品供电。这些所谓的微生物燃料电池的一大好处就是它们的寿命。细菌几乎可以无限期地自我修复和繁殖，从而产生少量但持续不变的电荷；在2008年进行的一项美国海军实验中，研究人员使用Geobacter燃料电池为华盛顿特区波托马克河的一个小型气象浮标供电9个多月，没有任何减弱的迹象。然而，这些燃料电池提供的电量非常小(海军浮标的功率约为36毫瓦，或千分之一瓦)，严重限制了它们可以供电的电子设备的类型。

有了这项新的研究，科学家们现在知道了如何操纵微生物纳米线，使它们变得更坚固和更具导电性。马尔万卡尔说，这些信息可以使生物电子产品的生产既便宜又容易，有望迎来新一代环保的细菌动力电池。

他补充说，我们距离用几个Geobacter给iPhone充电还有很长的路要走，但我们脚下的微型电网的力量只是变得更容易掌握了。