加州大學(xué)伯克利分校的研究人員說，他們發(fā)現(xiàn)一種常見的引起腹瀉的細菌單核增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)使用一種與已知的電致細菌完全不同的方法發(fā)電，數(shù)百種其他細菌也使用同樣的方法發(fā)電。他們的研究(“一種基于黃素的細胞外電子轉(zhuǎn)移機制在不同革蘭氏陽性細菌中”)發(fā)表在《自然》雜志的網(wǎng)絡(luò)版上，對于那些目前正試圖利用微生物制造活電池的人來說，這將是一個好消息。例如，這種“綠色”生物能源技術(shù)可以利用廢物處理廠的細菌發(fā)電。

細胞外電子轉(zhuǎn)移(EET)描述了微生物的生物電化學(xué)過程，即電子從細胞溶膠轉(zhuǎn)移到細胞外部。呼吸礦物質(zhì)的細菌利用復(fù)雜的血液電子傳遞機制，但其他eet的存在和機制基礎(chǔ)仍不清楚。這里我們展示了食源性單核增生李斯特菌利用一種獨特的基于黃素的EET機制將電子傳遞到鐵或電極。通過對L.單核細胞基因突變體進行正向遺傳篩選，發(fā)現(xiàn)其細胞外鐵還原酶活性降低，我們確定了導(dǎo)致EET的8個基因位點。這個位點編碼一種特殊的NADH脫氫酶，它通過將電子引導(dǎo)到一個離散的膜定位醌池，從而將EET與有氧呼吸分離開來。其他蛋白質(zhì)促進大量細胞外黃蛋白的組裝，與自由分子黃酮梭體結(jié)合，介導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移到細胞外受體，”研究人員寫道。

該系統(tǒng)因此建立了一個簡單的電子管道，與革蘭氏陽性細胞的單膜結(jié)構(gòu)兼容。EET的激活支持不可發(fā)酵碳源的生長，而EET突變體在小鼠胃腸道中表現(xiàn)出競爭性缺陷。在厚壁菌門的數(shù)百個物種中，包括多種腸道菌群的病原體和共生體成員，都存在與EET相關(guān)的基因同源物，并與被測菌株的EET活性相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)表明，以eet為基礎(chǔ)的生長能力更加普遍，并建立了之前被低估的跨不同環(huán)境的電致細菌相關(guān)性，包括宿主相關(guān)的微生物群落和傳染病。

這些發(fā)光的細菌中有很多是人體腸道微生物群的一部分，其中很多都是致病性的，比如引起食源性疾病李斯特菌病(listeriosis)的細菌，這種病也會導(dǎo)致流產(chǎn)。引起壞疽(梭菌)和醫(yī)院獲得性感染(糞腸球菌)以及一些致病鏈球菌的細菌也會產(chǎn)生電流。其他的電致細菌，比如乳酸菌，在發(fā)酵酸奶中很重要，其中很多都是益生菌。

“事實上,很多細菌與人類的相互作用,如病原體或益生菌或人類微生物群或參與發(fā)酵的產(chǎn)品,之前electrogenic-that已經(jīng)錯過了,”Dan Portnoy說,博士,加州大學(xué)伯克利分校教授的分子和細胞生物學(xué)和植物和微生物生物學(xué)。“它可以告訴我們很多關(guān)于這些細菌是如何感染我們的，或者幫助我們擁有一個健康的腸道。

細菌發(fā)電是為了去除新陳代謝過程中產(chǎn)生的電子并支持能量的產(chǎn)生。當(dāng)動物和植物將它們的電子轉(zhuǎn)移到每個細胞線粒體內(nèi)的氧氣中時，處于缺氧環(huán)境中的細菌，包括我們的腸道，也包括酒精和奶酪發(fā)酵罐和酸性礦井，必須找到另一個電子受體。在地質(zhì)環(huán)境中，通常是細胞外的一種礦物，如鐵或錳。在某種意義上，這些細菌“呼吸”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(xué)反應(yīng)，即所謂的細胞外電子轉(zhuǎn)移鏈，它以微小的電流形式攜帶電子。一些科學(xué)家已經(jīng)利用這條鏈來制造電池:將電極插入這些細菌的燒瓶中，你就可以發(fā)電了。

根據(jù)研究小組的說法，新發(fā)現(xiàn)的細胞外電子傳遞系統(tǒng)實際上比已知的傳遞鏈更簡單，而且似乎只有在必要的時候才會被細菌使用，可能是在氧氣水平較低的時候。到目前為止，這種更簡單的電子傳遞鏈已經(jīng)在單細胞壁的細菌中被發(fā)現(xiàn)——這些細菌被歸類為革蘭氏陽性細菌——它們生活在含有大量黃酮的環(huán)境中，黃酮是維生素B2的衍生物。

第一作者、博士后薩姆·萊特博士說:“這些細菌的細胞結(jié)構(gòu)和它們所占據(jù)的富含維生素的生態(tài)位，使得從細胞中轉(zhuǎn)移電子更加容易，也更加劃算。”“因此，我們認為，傳統(tǒng)研究的礦物質(zhì)呼吸細菌之所以使用細胞外電子轉(zhuǎn)移，是因為它對生存至關(guān)重要，而這些新發(fā)現(xiàn)的細菌之所以使用它，是因為它‘容易’。”

為了了解這個系統(tǒng)有多強大，萊特博士與勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的科學(xué)家卡羅琳·阿喬·富蘭克林(Caroline Ajo-Franklin)博士合作。后者研究的是活微生物與無機材料之間的相互作用，可能用于碳捕獲和封存以及生物太陽能發(fā)電。她用一個電極測量了從細菌中流出的電流——高達500微安——證實了它確實是電致的。事實上，它們產(chǎn)生的電量——每個細胞每秒大約10萬個電子——相當(dāng)于已知的電致細菌產(chǎn)生的電量。

萊特博士對乳酸菌中這種系統(tǒng)的存在特別感興趣，這種細菌對奶酪、酸奶和酸菜的生產(chǎn)至關(guān)重要。他認為，也許電子傳遞在奶酪和泡菜的味道中起了作用。

他說:“這是人們沒有意識到的細菌生理學(xué)的一個重要組成部分，它可能被操縱。”

Drs。光和Portnoy有更多關(guān)于如何以及為什么這些細菌發(fā)展這樣一個獨特的系統(tǒng),例如,簡單,容易轉(zhuǎn)移電子通過一個細胞壁而不是兩個,和機會,利用無處不在的黃素分子擺脫電子似乎使這些細菌能夠找到一種方法來在富氧和缺氧環(huán)境中生存下來。