哈佛大学科学家确定“吃”电的微生物

（一）荧光显微镜下的R. palustris TIE-1 WT照明的生物膜。比例尺，10 m。μ （b）WT照射的生物膜的扫描电子显微照片。自然通讯部doi：10.1038 / ncomms4391

在一项新的研究中，哈佛大学的科学家表明，Rhodopseudomonas palustris细菌可以利用自然电导率从土壤和沉积物深处的矿物中提取电子，同时保留在地表。

多年来，已经有许多流行的饮食引起了公众的想象，但是哈佛大学的科学家已经确定了其中最奇怪的一种-阳光和电力。

在约翰·洛布（John L. Loeb）自然科学副教授彼得·吉尔吉斯（Peter Girguis）和有机与进化生物学的博士后研究员阿皮塔·玻色（Arpita Bose）的带领下，一组研究人员表明，常见的红景天细菌可以利用自然电导率拉动来自位于土壤和沉积物深处的矿物的电子，而保留在地表，在那里吸收产生能量所需的阳光。该研究在2月26日发表于《自然通讯》上的文章中进行了描述。

吉尔吉斯说：“考虑到电和生物时，大多数人会默认玛丽·雪莱的《科学怪人》，但我们早就知道，所有生物实际上都利用电子（即构成电的电子）来工作。”“本文的核心是称为细胞外电子转移（EET）的过程，该过程涉及将电子移入和移出细​​胞。我们能够证明这些微生物吸收了电能，这些电能进入了它们的中枢新陈代谢，并且我们能够描述该过程中涉及的一些系统。”

在野外，微生物依靠铁来提供产生能量所需的电子，但是实验室测试表明，铁本身对于这一过程并不重要。通过在实验室中的微生物菌落上附加一个电极，研究人员观察到它们可以吸收有色金属中的电子，这表明它们还可能在野外使用其他富含电子的矿物质，例如其他金属和硫化合物。 。

“这是改变游戏规则的人，”吉尔吉斯说。“我们已经了解了很长时间，有氧和厌氧世界的相互作用主要是通过化学物质向这些域的扩散和扩散。因此，我们还认为，这种扩散过程控制着许多生物地球化学循环的速率。但是这项研究表明…，从某种意义上说，这种进行EET的能力是围绕扩散的最终结果。这可能会改变我们对有氧和厌氧世界之间相互作用的思考方式，并且可能会改变我们计算生物地球化学循环速率的方式。”

使用遗传工具，研究人员还能够鉴定出对吸收电子的能力至关重要的基因。吉尔吉斯说，当基因被关闭时，微生物吸收电子的能力下降了大约三分之一。

吉尔吉斯说：“我们对确切了解基因在电子吸收中所起的作用非常感兴趣。”“相关基因在自然界中的其他微生物中都可以找到，我们不确定它们在这些微生物中的作用。这提供了一些诱人的证据，表明其他微生物也进行了这一过程。”

这项新研究的基础是在二十多年前奠定的，当时研究人员首次鉴定了一种细菌，该细菌通过将电子传递给构成氧化铁分子的氧原子来“吃掉”铁锈。

研究人员随后将利用细菌构建一个微生物“燃料电池”，其中细菌将电子传递给电子，而不是生锈，而是传递给可以收集该电流的电极。

吉尔吉斯和同事们想知道，如果某些微生物能够通过将电子移动到细胞外来产生所需的能量，那么其他微生物是否也可以通过吸收电子来做同样的事情？

他说：“这个问题使我们重拾铁心。”“本文关注的微生物是吃铁锈的微生物的镜像。实际上，他们没有使用氧化铁来呼吸，而是实际上由游离铁制造了氧化铁。”

然而，获得免费的铁并不是一件容易的事。

微生物依靠阳光来帮助产生能量，但是它们所需的铁存在于地表以下的沉积物中。吉尔吉斯说，要达到它并仍然停留在表面，微生物已经制定了一种不同寻常的策略。微生物似乎通过天然存在的导电矿物吸收电子。另外，随着微生物将电子从铁中拉出，它们会生成氧化铁晶体，沉淀到它们周围的土壤中。随着时间的流逝，这些晶体可以导电并充当“电路”，从而使微生物能够氧化本来无法到达的矿物质。

吉尔吉斯说：“这样做是解决了这种依赖阳光的生物的悖论。”“这些在生物膜中生长的单细胞微生物提出了一种从土壤中的矿物质进行电伸出并吸引电子的方法，使它们可以留在阳光下。”

尽管他仍然对使用能够通过燃料电池产生EET的微生物的功效持怀疑态度，但吉尔吉斯说，还有其他应用（例如制药行业）可以使用微生物。

他说：“我认为，这里最大的应用机会是使用能够吸收电子的微生物来产生令人感兴趣的东西，”他知道您可以让它们的电子通过电极来实现。

出版物：A. Bose等人，“铁氧化的光养细菌对电子的吸收”，《自然通讯》第5期，文章编号：3391; doi：10.1038 / ncomms4391

图像：自然通讯