9月12日，《Nature》雜志以“A flavin-based extracellular electron transfer mechanism in diverse Gram-positive bacteria”為題在線(xiàn)發(fā)表了這一最新成果。
這些發(fā)電的細菌很多是人類(lèi)腸道微生物群的一部分，且大多數是致病的，比如導致食源性疾?。ㄒ环N易造成流產(chǎn)的疾?。┑睦钏固鼐?、引起壞疽的細菌(梭菌)、醫院獲得性感染的細菌(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胞生物學(xué)教授Dan Portnoy說(shuō):“事實(shí)上，許多與人類(lèi)相互作用的細菌，無(wú)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)酵的細菌，都是電致的，這一發(fā)現告訴了我們這些細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(guò)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移到每個(gè)細胞線(xiàn)粒體內的氧氣中，但是在沒(méi)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），細菌必須找到另一個(gè)電子受體。在地質(zhì)環(huán)境中，這些細菌主要“呼吸”細胞外的礦物，如鐵或錳。
將電子從細胞轉移到礦物質(zhì)需要一系列特殊的化學(xué)反應，即所謂的細胞外電子轉移鏈，它以微小電流的形式攜帶電子。一些科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)了這種“鏈條”來(lái)制造電池:將電極粘在這些細菌的燒瓶中就可以發(fā)電。
新發(fā)現的細胞外電子轉移系統實(shí)際上比已知的轉移鏈更簡(jiǎn)單，且似乎只有在必要（也許是在氧含量低的時(shí)候）時(shí)，細菌才會(huì )被使用。迄今為止，這種更簡(jiǎn)單的電子轉移鏈已經(jīng)在具有單一細胞壁的細菌——被歸類(lèi)為革蘭氏陽(yáng)性菌的微生物中被發(fā)現，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(lái)，這些細菌的細胞結構和它們所占據的富含維生素的生態(tài)位，使得電子從細胞中轉移出來(lái)變得更容易、更經(jīng)濟，” 博士后研究員、第一作者Sam Light說(shuō)，“因此，我們認為，傳統上研究的礦物質(zhì)呼吸細菌使用細胞外電子轉移，是因為后者對生存至關(guān)重要，而這些新發(fā)現的細菌使用這一途徑，是因為 ‘容易’。”
李斯特菌在無(wú)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(guò)細胞壁傳送到環(huán)境中。（圖片來(lái)源：伯克利大學(xué)）
探索腸道菌產(chǎn)電系統
為了了解這個(gè)系統有多強大，Light與通訊作者、勞倫斯•伯克利國家實(shí)驗室的Caroline Ajo-Franklin合作，他們探索了活微生物和無(wú)機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。在這項研究中，作者用一個(gè)電極測量細菌流出的電流，可達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)生的電大約相當于每細胞每秒10萬(wàn)個(gè)電子，與我們所知的產(chǎn)電細菌一樣。
乳酸菌是生產(chǎn)奶酪、酸奶和泡菜的關(guān)鍵細菌，Light對乳酸菌中這種產(chǎn)電系統的存在特別感興趣。他認為，也許電子傳輸在奶酪和泡菜的味道中起著(zhù)一定的作用。
“這是細菌生理學(xué)的一大部分，人們尚未意識到這一點(diǎn)，或許可以通過(guò)操縱該系統使其為人類(lèi)所用”。
目前，研究人員對于這些細菌如何以及為什么會(huì )發(fā)展出如此獨特的系統還有很多疑問(wèn)，例如腸道菌產(chǎn)電的簡(jiǎn)單性（為什么通過(guò)一個(gè)細胞壁傳遞電子比通過(guò)兩個(gè)細胞壁更容易？）以及機會(huì )性（為什么利用普遍存在的黃素分子來(lái)去除電子？）這些問(wèn)題還有待進(jìn)一步解析。
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