一種獨(dú)特的細(xì)菌可以成為大自然的微觀發(fā)電廠嗎?科學(xué)家Moh El-Naggar和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這是可能的。他們與Shewanella oneidensis種細(xì)菌一起工作，這是一組基本上“呼吸”巖石的微生物之一。

作為其新陳代謝的一部分，細(xì)菌已經(jīng)開發(fā)出一種將電子從細(xì)胞內(nèi)部穿過(guò)其外膜轉(zhuǎn)移到外界接收表面的方法。這個(gè)過(guò)程類似于人類使用氧氣呼吸的方式。身體從食物中獲取電子，并最終將這些電子轉(zhuǎn)移到肺部吸入的氧氣中。

該生物體是近30年前由Kenneth Nealson發(fā)現(xiàn)的，他現(xiàn)在是環(huán)境研究的瑞格利主席，以及USC Dornsife的地球科學(xué)和生物科學(xué)教授?？茖W(xué)家們最近有興趣了解細(xì)菌究竟是如何脫離這種特殊的生物技巧。

USC Dornsife的物理，生物科學(xué)和化學(xué)副教授El-Naggar以及南加州大學(xué)和加州理工學(xué)院的合作團(tuán)隊(duì)認(rèn)為他們有答案。他們的論文于3月22日由美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊發(fā)表，重點(diǎn)介紹了這些細(xì)菌如何使用“納米線”來(lái)完成電子專長(zhǎng)的新研究。

微機(jī)器

利用生物有機(jī)資源獲取能源，為新的可持續(xù)技術(shù)提供了巨大的潛力。甲微生物燃料電池，例如，可以通過(guò)在電極上，而不是這些生物體進(jìn)化到呼吸巖石捕獲來(lái)自細(xì)菌電子發(fā)電。

“微生物是高度進(jìn)化的機(jī)器，”El-Naggar說(shuō)。“我們?cè)谶@里擁有的是一個(gè)真正擅長(zhǎng)轉(zhuǎn)換能量和與非生物世界互動(dòng)的課程。”

使用“電細(xì)菌”的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在USC廢水處理中進(jìn)行了探索。微生物以廢物為食，氧化有機(jī)物質(zhì)并產(chǎn)生少量電能。

除了無(wú)數(shù)的實(shí)際應(yīng)用之外，這些生物可以舉例說(shuō)明在存在很少或不存在氧氣的環(huán)境中存在的生命類型，例如深?；蚧鹦潜砻妗?/p>

El-Naggar是自然科學(xué)早期職業(yè)教育主席Robert D. Beyer('81)的負(fù)責(zé)人，他說(shuō)，在細(xì)胞外放置電子是他們生存的方式。“如果要關(guān)閉將電子從系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移出來(lái)的能力，它們將無(wú)法制造能量。細(xì)菌基本上會(huì)窒息死亡。”

為生存而連線

在顯微鏡下，科學(xué)家們可以看到從這些細(xì)胞中伸出的細(xì)絲。多年來(lái)，流行的假設(shè)是，這些是一種叫做菌毛的微小毛發(fā)，與其他類型的細(xì)菌相似。

但是在2013年，El-Naggar實(shí)驗(yàn)室的一位研究科學(xué)家Sahand Pirbadian發(fā)現(xiàn)，這些被稱為“納米線”的投影實(shí)際上是細(xì)胞膜覆蓋的細(xì)胞膜的延伸 - 含有鐵的蛋白質(zhì)促進(jìn)電子傳遞。這些納米線使細(xì)菌與表面的連接距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期。

通過(guò)光學(xué)顯微鏡成像，該團(tuán)隊(duì)了解納米線的基本成分。但他們很好奇細(xì)胞色素是否足夠接近以沿著電線傳輸電子。如果密度足夠高，他們認(rèn)為可以沿著膜形成橋，這將允許電子穿過(guò)外表面。

在膜中瘋狂

在目前的研究中，El-Naggar和Pirbadian與加州理工學(xué)院的Grant Jensen和Poorna Subramanian合作，使用電子冷凍切片術(shù)或ECT的專家。

使用ECT，研究人員可以立即凍結(jié)細(xì)胞，以非常接近其自然狀態(tài)的形式保存細(xì)胞，然后以三維納米級(jí)分辨率對(duì)其進(jìn)行成像。

Subramanian和Pirbadian能夠捕獲細(xì)菌及其納米線的逼真圖像。他們發(fā)現(xiàn)的是有趣的。

“這些不是簡(jiǎn)單的管子，”El-Naggar說(shuō)。“它們更像是一串薄膜珍珠，串在一起。”

利用ECT生成的圖像，該團(tuán)隊(duì)首次了解電子傳遞蛋白如何在膜中分布以形成納米線。雖然有些人相互接觸，但許多人進(jìn)一步分開 - 達(dá)到30納米 - 一個(gè)范圍太遠(yuǎn)，電子不能跳躍。

有了這些新信息，該團(tuán)隊(duì)提出蛋白質(zhì)漂浮在膜內(nèi)。這產(chǎn)生恰好足夠的碰撞以允許電子從一個(gè)到另一個(gè)交換，直到它們到達(dá)納米線的末端并轉(zhuǎn)移到巖石或金屬表面。

他們的下一步是確認(rèn)這些碰撞實(shí)際上正在發(fā)生。

雖然還有很多東西需要學(xué)習(xí)，但El-Naggar對(duì)研究可能帶來(lái)的方向感到興奮。

“我的實(shí)驗(yàn)室受到了我們可以開發(fā)新機(jī)器的想法的推動(dòng)，其中活細(xì)胞作為混合生物 - 非生物系統(tǒng)的一部分發(fā)揮作用，”他說(shuō)。“我們正在努力建立新一代生活電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。”