9月12日，《Nature》雜志以“A flavin-based extracellular electron transfer mechanism in diverse Gram-positive bacteria”為題在線發(fā)表了這一最新成果。
這些發(fā)電的細(xì)菌很多是人類腸道微生物群的一部分，且大多數(shù)是致病的，比如導(dǎo)致食源性疾?。ㄒ环N易造成流產(chǎn)的疾病）的李斯特菌病、引起壞疽的細(xì)菌(梭菌)、醫(yī)院獲得性感染的細(xì)菌(糞腸球菌)以及一些引起疾病的鏈球菌等。其他一些產(chǎn)電細(xì)菌，如乳酸桿菌，在酸奶發(fā)酵中很重要，屬于益生菌。
加州大學(xué)伯克利分校的分子和細(xì)胞生物學(xué)教授Dan Portnoy說:“事實(shí)上，許多與人類相互作用的細(xì)菌，無論是病原體還是益生菌，還是我們的微生物群，亦或是用于產(chǎn)品發(fā)酵的細(xì)菌，都是電致的，這一發(fā)現(xiàn)告訴了我們這些細(xì)菌是如何感染我們以及如何幫助我們擁有健康的腸道的。”
“呼吸”金屬
細(xì)菌產(chǎn)生電能與我們呼吸氧氣的原因相同: 清除新陳代謝過程中產(chǎn)生的電子，以支持能量的產(chǎn)生。盡管動(dòng)物和植物將它們的電子轉(zhuǎn)移到每個(gè)細(xì)胞線粒體內(nèi)的氧氣中，但是在沒有氧氣的環(huán)境中（包括腸道、酒精和奶酪發(fā)酵罐、酸性礦井等），細(xì)菌必須找到另一個(gè)電子受體。在地質(zhì)環(huán)境中，這些細(xì)菌主要“呼吸”細(xì)胞外的礦物，如鐵或錳。
將電子從細(xì)胞轉(zhuǎn)移到礦物質(zhì)需要一系列特殊的化學(xué)反應(yīng)，即所謂的細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移鏈，它以微小電流的形式攜帶電子。一些科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)了這種“鏈條”來制造電池:將電極粘在這些細(xì)菌的燒瓶中就可以發(fā)電。
新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移系統(tǒng)實(shí)際上比已知的轉(zhuǎn)移鏈更簡(jiǎn)單，且似乎只有在必要（也許是在氧含量低的時(shí)候）時(shí)，細(xì)菌才會(huì)被使用。迄今為止，這種更簡(jiǎn)單的電子轉(zhuǎn)移鏈已經(jīng)在具有單一細(xì)胞壁的細(xì)菌——被歸類為革蘭氏陽(yáng)性菌的微生物中被發(fā)現(xiàn)，這種微生物生活在含有大量黃素的環(huán)境中，黃素是維生素B2的衍生物。
“看來，這些細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和它們所占據(jù)的富含維生素的生態(tài)位，使得電子從細(xì)胞中轉(zhuǎn)移出來變得更容易、更經(jīng)濟(jì)，” 博士后研究員、第一作者Sam Light說，“因此，我們認(rèn)為，傳統(tǒng)上研究的礦物質(zhì)呼吸細(xì)菌使用細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移，是因?yàn)楹笳邔?duì)生存至關(guān)重要，而這些新發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌使用這一途徑，是因?yàn)?‘容易’。”
李斯特菌在無處不在的黃素分子(黃點(diǎn))的幫助下，以微小的電流將電子通過細(xì)胞壁傳送到環(huán)境中。（圖片來源：伯克利大學(xué)）
探索腸道菌產(chǎn)電系統(tǒng)
為了了解這個(gè)系統(tǒng)有多強(qiáng)大，Light與通訊作者、勞倫斯•伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Caroline Ajo-Franklin合作，他們探索了活微生物和無機(jī)材料之間的相互作用，以用于碳捕集、封存和生物太陽(yáng)能發(fā)電。在這項(xiàng)研究中，作者用一個(gè)電極測(cè)量細(xì)菌流出的電流，可達(dá)500微安，從而證實(shí)這確實(shí)是電致的。事實(shí)上，這些腸道菌產(chǎn)生的電大約相當(dāng)于每細(xì)胞每秒10萬個(gè)電子，與我們所知的產(chǎn)電細(xì)菌一樣。
乳酸菌是生產(chǎn)奶酪、酸奶和泡菜的關(guān)鍵細(xì)菌，Light對(duì)乳酸菌中這種產(chǎn)電系統(tǒng)的存在特別感興趣。他認(rèn)為，也許電子傳輸在奶酪和泡菜的味道中起著一定的作用。
“這是細(xì)菌生理學(xué)的一大部分，人們尚未意識(shí)到這一點(diǎn)，或許可以通過操縱該系統(tǒng)使其為人類所用”。
目前，研究人員對(duì)于這些細(xì)菌如何以及為什么會(huì)發(fā)展出如此獨(dú)特的系統(tǒng)還有很多疑問，例如腸道菌產(chǎn)電的簡(jiǎn)單性（為什么通過一個(gè)細(xì)胞壁傳遞電子比通過兩個(gè)細(xì)胞壁更容易？）以及機(jī)會(huì)性（為什么利用普遍存在的黃素分子來去除電子？）這些問題還有待進(jìn)一步解析。
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