科學家們曾發(fā)現(xiàn)，只有在像礦井和湖底等特異環(huán)境中，一些細菌才能產(chǎn)生電能。但近日，加州大學伯克利分校的研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，單核細胞增生李斯特菌等腸道菌竟然也能“發(fā)電”！這一發(fā)現(xiàn)為將來欲研究微生物發(fā)電技術的科學家?guī)チ藰O大鼓舞。

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。

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-018-0498-z

這些發(fā)電的細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(yī)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。

加州大學伯克利分校的分子和細胞生物學教授Dan Portnoy說:“事實上，許多與人類相互作用的細菌，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)酵的細菌，都是電致的，這一發(fā)現(xiàn)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: 清除新陳代謝過程中產(chǎn)生的電子，以支持能量的產(chǎn)生。盡管動物和植物將它們的電子轉(zhuǎn)移到每個細胞線粒體內(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），細菌必須找到另一個電子受體。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(zhuǎn)移到礦物質(zhì)需要一系列特殊的化學反應，即所謂的細胞外電子轉(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：將電極粘在這些細菌的燒瓶中就可以發(fā)電。

新發(fā)現(xiàn)的細胞外電子轉(zhuǎn)移系統(tǒng)實際上比已知的轉(zhuǎn)移鏈更簡單，且似乎只有在必要（也許是在氧含量低的時候）時，細菌才會被使用。迄今為止，這種更簡單的電子轉(zhuǎn)移鏈已經(jīng)在具有單一細胞壁的細菌——被歸類為革蘭氏陽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，這些細菌的細胞結(jié)構和它們所占據(jù)的富含維生素的生態(tài)位，使得電子從細胞中轉(zhuǎn)移出來變得更容易、更經(jīng)濟，” 博士后研究員、第一作者Sam Light說，“因此，我們認為，傳統(tǒng)上研究的礦物質(zhì)呼吸細菌使用細胞外電子轉(zhuǎn)移，是因為后者對生存至關重要，而這些新發(fā)現(xiàn)的細菌使用這一途徑，是因為 ‘容易’。”

李斯特菌在無處不在的黃素分子(黃點)的幫助下，以微小的電流將電子通過細胞壁傳送到環(huán)境中。（圖片來源：伯克利大學）

探索腸道菌產(chǎn)電系統(tǒng)

為了了解這個系統(tǒng)有多強大，Light與通訊作者、勞倫斯•伯克利國家實驗室的Caroline Ajo-Franklin合作，他們探索了活微生物和無機材料之間的相互作用，以用于碳捕集、封存和生物太陽能發(fā)電。

在這項研究中，作者用一個電極測量細菌流出的電流，最高可達500微安，從而證實這確實是電致的。事實上，這些腸道菌產(chǎn)生的電大約相當于每細胞每秒10萬個電子，與我們所知的產(chǎn)電細菌一樣。

乳酸菌是生產(chǎn)奶酪、酸奶和泡菜的關鍵細菌，Light對乳酸菌中這種產(chǎn)電系統(tǒng)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一定的作用。

“這是細菌生理學的一大部分，人們尚未意識到這一點，或許可以通過操縱該系統(tǒng)使其為人類所用”。

目前，研究人員對于這些細菌如何以及為什么會發(fā)展出如此獨特的系統(tǒng)還有很多疑問，例如腸道菌產(chǎn)電的簡單性（為什么通過一個細胞壁傳遞電子比通過兩個細胞壁更容易？）以及機會性（為什么利用普遍存在的黃素分子來去除電子？）這些問題還有待進一步解析。

參考資料：1）Gut bacteria's shocking secret: They produce electricity

2）A flavin-based extracellular electron transfer mechanism in diverse Gram-positive bacteria