由馬薩諸塞州阿默斯特大學(xué)的Derek Lovley領(lǐng)導(dǎo)的微生物學(xué)家，在國際上因發(fā)現(xiàn)Geobacter細(xì)菌中的導(dǎo)電微絲或“納米線”而聞名，他們?cè)诒驹碌囊黄抡撐闹行?，他們已?jīng)在許多其他物種中發(fā)現(xiàn)了意想不到的結(jié)構(gòu)，大大拓寬了導(dǎo)電細(xì)絲的研究領(lǐng)域。細(xì)節(jié)在網(wǎng)上出現(xiàn)在國際微生物生態(tài)學(xué)會(huì)雜志上。

Lovley在30年前發(fā)表了他的第一篇描述Geobacter的論文，他解釋說，“Geobacter已經(jīng)用一種非常短的基本亞基進(jìn)化了這種特殊的細(xì)絲，稱為菌毛，組裝成長鏈，類似扭曲的繩索。大多數(shù)細(xì)菌有一個(gè)基本的亞基，導(dǎo)電菌毛或電子菌毛最近是Geobacter的一個(gè)進(jìn)化事件，所以工作假設(shè)是這種能力只能在它的近親身上找到。“

他補(bǔ)充道，“這對(duì)我們來說是令人驚訝的，我想許多人會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，微生物需要短纖維亞基生產(chǎn)電子菌的概念是錯(cuò)誤的。我們發(fā)現(xiàn)一些更大的菌毛也可以產(chǎn)生e-pili和表達(dá)電子菌的能力在多種微生物群的演變過程中獨(dú)立出現(xiàn)多次。“他和合著者補(bǔ)充說，“電子菌毛可以在碳和金屬的生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮重要作用，并有潛在的應(yīng)用作為'綠色'電子材料。”

Lovley說：“這是一個(gè)偉大的發(fā)展，因?yàn)楝F(xiàn)在這個(gè)領(lǐng)域?qū)?huì)擴(kuò)大。微生物學(xué)家現(xiàn)在知道他們可以與其他微生物一起研究導(dǎo)電細(xì)絲。我們發(fā)現(xiàn)了一系列具有此功能的微生物。我們有一件有趣的事情。已經(jīng)可以報(bào)告的是，我們發(fā)現(xiàn)的一些新細(xì)菌的細(xì)絲直徑達(dá)到10納米.Geobacter的細(xì)絲非常薄，直徑只有3納米。對(duì)于像納米線傳感器這樣的電子設(shè)備的構(gòu)建，操作起來要容易得多。更粗的電線。通過更粗的電線來闡明導(dǎo)電性的結(jié)構(gòu)特征也更為直接，因?yàn)樗菀捉鉀Q它們的結(jié)構(gòu)。

他希望發(fā)現(xiàn)額外的導(dǎo)電蛋白納米線將有助于電子制造領(lǐng)域急需的“綠色”可持續(xù)革命。“我們目前使用大量能源和稀有資源生產(chǎn)電子產(chǎn)品，然后將它們?nèi)拥胶Ｍ庥卸緩U物堆中的系統(tǒng)是不可持續(xù)的，”Lovley說。他指出，用微生物生產(chǎn)電子生物材料可以在沒有刺激性化學(xué)品的情況下實(shí)現(xiàn)，并且需要更低的能量投入。“微生物吃得便宜。就Geobacter而言，我們基本上都是用醋喂它們。”

Lovley及其同事報(bào)告說，“產(chǎn)生高電流密度的G. sulfurreducens菌株，只有e-pili可能才能獲得，這些菌株來自Flexistipes sinusarabici，Calditerrivibrio nitroreducens和Desulfurivibrio alkaliphilus的菌毛基因。這些菌株的菌毛傳導(dǎo)率與土生土長的G. sulfurreducens e-pili。“

近年來，UMass Amherst微生物學(xué)家和與Geobacter物種合作的物理學(xué)家根據(jù)菌毛蛋白亞基中芳香族氨基酸的存在，開發(fā)了一種假設(shè)，即其e-pili如何能夠傳導(dǎo)電流。他們利用這一特征 - 高密度的芳香族氨基酸和沿著菌毛鏈缺乏大量無芳香的空隙 - 從其他微生物中選擇候選菌毛基因，包括許多難以培養(yǎng)的微生物。

使用這種技術(shù)“揭示了基于生物學(xué)的電子材料的新來源，并表明微生物的廣泛系統(tǒng)發(fā)育多樣性可能使用電子菌毛進(jìn)行細(xì)胞外電子交換，”他們報(bào)告說。為了測(cè)試和驗(yàn)證他們的生物篩選結(jié)果，他們從Geobacter中取出天然菌毛蛋白基因并用Calditerrivibrio基因取代它們，然后將這種轉(zhuǎn)基因生物放入微生物燃料電池中，看它是否會(huì)產(chǎn)生電流。Lovley說，在某些情況下，他們確實(shí)如此。

Lovley在美國地質(zhì)調(diào)查局聘請(qǐng)Geobacter時(shí)，在波托馬克河進(jìn)行了第一個(gè)水質(zhì)微生物學(xué)項(xiàng)目，特別是了解哪些微生物正在影響河流沉積物中磷酸鹽的藻類大量繁殖。他回憶說，“大多數(shù)科學(xué)家，包括微生物學(xué)家，都認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)是造成泥漿中鐵轉(zhuǎn)化的原因，這種鐵會(huì)將相關(guān)磷酸鹽作為污染釋放到水中。但是，當(dāng)我們進(jìn)一步研究這種情況時(shí)，很明顯是微生物參與其中。這導(dǎo)致我們發(fā)現(xiàn)了Geobacter。“

多年來，Geobacter的其他獨(dú)特功能在生物地球化學(xué)，生物修復(fù)和可再生能源領(lǐng)域產(chǎn)生了許多“微生物學(xué)第一”。Lovley說：“現(xiàn)在，Geobacter已將我們吸引到電子產(chǎn)品中。我很高興地發(fā)現(xiàn)這些來自其他細(xì)菌的新型導(dǎo)電蛋白納米線在生物醫(yī)學(xué)傳感器等應(yīng)用中的效果是否比Geobacter線更好。我們所描述的簡單篩選方法論文正在確定多種微生物中導(dǎo)電線的基因，這些微生物可能依賴于電信號(hào)傳導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境意義的獨(dú)特功能。“