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[转载]肠道细菌令人震惊的秘密:它们产生电(2018.9.22)

已有 432 次阅读 2022-11-28 21:28 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

【物理科研】肠道细菌令人震惊的秘密:它们产生电 

2018-09-22 22:00

https://www.sohu.com/a/255542195_472787 

虽然在诸如矿山和湖泊底部的外来环境中发现了产生电能的细菌,但科学家们已经错过了一个离家更近的地方:人类的肠道。

加州大学伯克利分校的科学家们发现,一种常见的导致腹泻的细菌,李斯特菌,使用一种完全不同于已知的电致病菌的技术来产生电能,而其他数百种细菌也使用同样的方法。

许多这些引发细菌的细菌都是人类肠道菌群的一部分,而许多细菌,比如导致食源性疾病的细菌李斯特菌病,也可能导致流产,是致病的。引起坏疽(梭状芽胞杆菌)和院内感染(粪肠球菌)和一些致病的链球菌的细菌也会产生电。其他的电性细菌,如乳酸菌,在发酵酸奶中很重要,很多都是益生菌。

“事实上,很多细菌与人类的相互作用,如病原体或益生菌或人类微生物群或参与发酵的产品,是电致——之前,已经错过了,”Dan Portnoy说,加州大学伯克利分校教授的分子和细胞生物学和植物和微生物生物学。“它可以告诉我们很多关于这些细菌如何感染我们或帮助我们拥有健康的肠道。”

这一发现对于那些试图从微生物中制造活电池的人来说是个好消息。例如,这种“绿色”生物能源技术可以从废物处理厂的细菌中产生电能。

细菌产生电能的原因和我们呼吸氧气的原因是一样的:在新陈代谢过程中去除产生的电子,并支持能量生产。动物和植物把它们的电子转移到每个细胞的线粒体里,而没有氧气的环境中的细菌——包括我们的肠道,还有酒精和奶酪发酵桶和酸性矿——必须找到另一个电子受体。在地质环境中,这通常是一种矿物——例如铁或锰——在细胞外。在某种意义上,这些细菌“呼吸”铁或锰。

将电子从细胞中转移到一种矿物中需要一系列特殊的化学反应,即所谓的细胞外电子传递链,它携带电子作为微小的电流。一些科学家利用这个链条制造了一个电池:把一个电极插在这些细菌的烧瓶里,你就可以发电了。

新发现的细胞外电子转移系统实际上比已知的转移链更简单,而且似乎只有在必要的时候才会被细菌使用,也许是在氧气水平较低的时候。到目前为止,这种更简单的电子转移链已经在一种单一细胞壁的细菌中被发现——微生物被归类为革兰氏阳性细菌——生活在含有大量黄酮的环境中,这些物质是维生素B2的衍生物。

“这些细菌的细胞结构和它们所占据的富含维生素的生态位,使得把电子从细胞中转移出来变得更容易,也更有成本效益,”第一作者Sam Light说,他是一位博士后研究员。“因此,我们认为传统研究的矿物呼吸细菌正在使用细胞外的电子转移,因为它对生存至关重要,而这些新发现的细菌正在使用它,因为它很容易。”

为了了解这个系统有多强大,光线与来自劳伦斯伯克利国家实验室的Caroline Ajo-Franklin合作,他探索了活的微生物和无机材料之间的相互作用,以便在碳捕获和封存和生物太阳能发电中应用。

她用一个电极来测量从细菌中涌出的电流——高达500微安培——这证实了它确实是电性的。事实上,他们制造的电——每秒钟大约有10万个电子——就像已知的电致病菌一样。

光对乳酸菌的存在特别感兴趣,这是一种对奶酪、酸奶和德国泡菜至关重要的细菌。也许,他认为,电子运输在奶酪和德国泡菜的味道中扮演着重要的角色。

他说:“这是人们没有意识到的细菌生理学的一个重要组成部分,这可能是有可能被操纵的。”

Light和Portnoy有更多的问题,关于这些细菌如何以及为什么会发展出这样一个独特的系统。简单——通过一个细胞壁而不是通过两个细胞来转移电子更容易——而且机会——利用无处不在的黄酮分子来摆脱电子——似乎使这些细菌能够在富氧和缺氧的环境中找到一种生存的方法。




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