一種獨特的細菌可以成為大自然的微觀發(fā)電廠嗎?科學家Moh El-Naggar和他的團隊認為這是可能的。他們與Shewanella oneidensis種細菌一起工作，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，細菌已經(jīng)開發(fā)出一種將電子從細胞內(nèi)部穿過其外膜轉(zhuǎn)移到外界接收表面的方法。這個過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的地球科學和生物科學教授?？茖W家們最近有興趣了解細菌究竟是如何脫離這種特殊的生物技巧。

USC Dornsife的物理，生物科學和化學副教授El-Naggar以及南加州大學和加州理工學院的合作團隊認為他們有答案。他們的論文于3月22日由美國國家科學院院刊發(fā)表，重點介紹了這些細菌如何使用“納米線”來完成電子專長的新研究。

微機器

利用生物有機資源獲取能源，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，可以通過在電極上，而不是這些生物體進化到呼吸巖石捕獲來自細菌電子發(fā)電。

“微生物是高度進化的機器，”El-Naggar說。“我們在這里擁有的是一個真正擅長轉(zhuǎn)換能量和與非生物世界互動的課程。”

使用“電細菌”的另一個優(yōu)點已經(jīng)在USC廢水處理中進行了探索。微生物以廢物為食，氧化有機物質(zhì)并產(chǎn)生少量電能。

除了無數(shù)的實際應用之外，這些生物可以舉例說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?。

El-Naggar是自然科學早期職業(yè)教育主席Robert D. Beyer('81)的負責人，他說，在細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)移出來的能力，它們將無法制造能量。細菌基本上會窒息死亡。”

為生存而連線

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

但是在2013年，El-Naggar實驗室的一位研究科學家Sahand Pirbadian發(fā)現(xiàn)，這些被稱為“納米線”的投影實際上是細胞膜覆蓋的細胞膜的延伸 - 含有鐵的蛋白質(zhì)促進電子傳遞。這些納米線使細菌與表面的連接距離遠遠超出預期。

通過光學顯微鏡成像，該團隊了解納米線的基本成分。但他們很好奇細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，他們認為可以沿著膜形成橋，這將允許電子穿過外表面。

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)細胞，以非常接近其自然狀態(tài)的形式保存細胞，然后以三維納米級分辨率對其進行成像。

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

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

利用ECT生成的圖像，該團隊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，但許多人進一步分開 - 達到30納米 - 一個范圍太遠，電子不能跳躍。

有了這些新信息，該團隊提出蛋白質(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到另一個交換，直到它們到達納米線的末端并轉(zhuǎn)移到巖石或金屬表面。

他們的下一步是確認這些碰撞實際上正在發(fā)生。

雖然還有很多東西需要學習，但El-Naggar對研究可能帶來的方向感到興奮。

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