对于无嘴,无肺的细菌,呼吸比人类要复杂一些。我们吸入氧气和呼出二氧化碳 ; 地球细菌是一种普遍存在的地下水,是细菌的一种,吞噬有机废物并“呼出”电子,在此过程中产生微小的电流。

这些废电子总是需要的地方去(通常为丰富的地下矿藏像铁氧化物),以及地杆菌有一种非常规的工具,以确保他们那里。

“ 地杆菌呼吸是通过什么本质上是一个巨大的通气管,数百次的规模,”尼基尔Malvankar,耶鲁大学微生物科学研究所在康涅狄格州的助理教授,告诉现场科学。

该“通气管”称为纳米线。尽管这些细小的导电细丝比人的头发细10万倍,但它们能够使电子穿梭于单个Geobacter微生物体长数百至数千倍。由于这种适应性,Geobacter是地球上最令人印象深刻的呼吸器之一。(“你不能在你面前呼出1000英尺(300米),对吗?”马尔万卡说)。

在任何给定的时间,数十亿种细菌在海底下嗡嗡作响。现在,在8月17日发表在《自然化学生物学》杂志上的一项新研究中,Malvankar和他的同事们想出了如何将这种能量组合成有效的微生物电网的方法。

使用先进的显微镜技术,研究人员发现了“秘密分子”,它使Geobacter能够在细菌中看不见的远距离呼吸。研究小组还发现,通过用电场刺激地球细菌的菌落,微生物的电传导效率是自然环境中的1000倍。

研究人员说,了解这些与生俱来的电学适应性可能是将Geobacter菌落转变成能呼吸的活细胞的关键步骤。

马尔万卡说:“我们相信这一发现可以用来制造脚下细菌的电子设备。”

数以百计的Geobacter细菌聚集在一起,因此它们可以将多余的电子倾倒到称为巨型线的“呼吸管”中,称为纳米线(红色)
数以百计的Geobacter细菌聚集在一起,因此它们可以将多余的电子倾倒到称为巨型线的“呼吸管”中,称为纳米线(红色)

最令人震惊的微生物

研究作者说,在潮湿,缺氧的土壤中的地下深处,地球细菌可以在其他微生物几乎没有的恶劣环境中生存。纳米线可以使它们在没有氧气的情况下呼吸,对于保持地球细菌在地下的生命至关重要,在地面上,诸如氧化铁之类的电子受体的距离很少超过百万分之几米。但是,实验室中生长的Geobacter菌落并不总是能在丰富的矿物质附近生活。

在先前的研究中,Malvankar及其同事发现,实验室培养的还原性Geobacter微生物能够在暴露于小电极或导电盘上时显示出另一个聪明的生存技巧。受到电场的刺激,微生物聚集成致密的生物膜,成百上千的个体微生物相互连接,使电子通过一个共享的网络移动。

马尔万卡说:“它们像高层公寓一样堆积,高数百层。” “他们都可以共享同一个电网,不断倾倒电子。”

困扰马尔万卡和他的同事的一个大问题是,正如他所说,“高层100层”中的微生物如何能够将电子一直发射到堆的底部,然后通过纳米线射出—有效地呼出电子,其距离是原始微生物体长的数千倍。马尔万卡说,这种距离在微生物呼吸中“以前是看不见的”,并强调了在恶劣的环境中生存时,土杆菌的独特性。

为了发现纳米线的秘密,这项新研究的作者使用两种尖端的显微镜技术分析了实验室生长的地球细菌的培养。第一个被称为高分辨率原子力显微镜,通过使用极其灵敏的机械探针接触纳米线的表面来收集有关纳米线结构的详细信息。

耶鲁大学微生物科学研究所的研究科学家西贝尔·埃布鲁·雅尔辛(Sibel Ebru Yalcin)对Live Science表示:“这有点像阅读盲文,但颠簸是十亿分之一米。”

通过第二种技术,称为红外纳米光谱学,研究人员根据纳米线散射入射红外光的方式识别了纳米线中的特定分子。雅尔辛说,通过这两种方法,研究人员看到了构成Geobacter的标志性纳米线的蛋白质中每个氨基酸的“唯一指纹” 。

研究小组发现,当受到电场刺激时,Geobacter会产生一种以前未知的由称为OmcZ 的蛋白质制成的纳米线。制作的一个叫做血红素纤巧,金属积木,这种蛋白质产生纳米线进行电1000倍更有效地比典型的纳米线地杆菌创建于土壤中,使微生物跨前所未有的距离发送电子。

马尔万卡说:“众所周知,细菌可以发电,但没人知道其分子结构。” “最后,我们找到了那个分子。”

带电的呼吸电池

十多年来,研究人员一直在使用Geobacter菌落为小型电子设备供电。这些所谓的微生物燃料电池的一大优势就是使用寿命长。细菌几乎可以无限期地修复和繁殖自己,产生少量但恒定的电荷。在2008年进行的一项美国海军实验中,研究人员使用地球细菌燃料电池为华盛顿特区波托马克河上的一个小型浮标提供了超过9个月的动力,而没有显示出减弱的迹象。但是,这些燃料电池所提供的电荷非常小(海军浮标的功率约为36毫瓦或千分之一瓦),严重限制了它们可以为电子设备供电的类型。

通过这项新的研究,科学家们现在知道如何操纵微生物纳米线,使其更坚固,更导电。马尔万卡说,这些信息可以使生物电子产品的生产变得更便宜,更容易,他希望能引入新一代的环保,细菌驱动的电池。

他补充说,距离为少量的Geobacter给我们的iPhone充电还有很长的路要走,但是脚下的微观电网的力量变得更容易掌握。

最初发表在《生命科学》上。

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