发现肠道细菌的小秘密？让你生病的它们也能被用来发电

(图源：ScienceDaily)

虽然在诸如矿井和湖底等奇异环境中发现了能发电的细菌，但科学家们却错过了一个更接近人类肠道的来源。

加州大学伯克利分校的科学家发现，一种常见的引起腹泻的细菌，单核增生李斯特菌，使用一种完全不同于已知的产电细菌的技术来发电，而数百种其他细菌也使用同样的方法。

这些发电的细菌中有许多是人体肠道菌群的一部分，其中许多是致病的，比如引起食源性疾病的李斯特菌病(listeriosis)，这种病也会导致流产。

引起坏疽的细菌(魏氏梭菌)和医院获得性感染(粪肠球菌)以及一些致病的链球菌也能产生电能。

其他的发电细菌，比如乳酸菌，在发酵酸奶中很重要的一种，很多都是益生菌。

“事实上,很多与人类相互作用的细菌,如病原体或益生菌，或在人类微生物群中，或参与发酵过程的,都可以发电——之前,我们错过了它们。”加州大学伯克利分校分子和细胞生物学以及植物和微生物学教授Dan Portnoy说。

“它可以告诉我们这些细菌如何感染我们，或者帮助我们拥有健康的肠道。”

这一发现对那些目前试图用微生物来制造活电池的人来说是个好消息。例如，这种“绿色”生物能源技术可以利用废物处理厂的细菌中发电。

这项研究将于9月12日在《自然》杂志10月4日出版之前在线发布。

“呼吸”金属

细菌产生电能的原因与我们呼吸氧气的原因相同:清除新陈代谢过程中产生的电子，支持能量的产生。

动物和植物将它们的电子转移到每个细胞线粒体内的氧气中，而在没有氧气的环境中——包括我们的肠道，也包括酒精和奶酪发酵槽和酸性矿——细菌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——比如铁或锰——在细胞外。

在某种意义上，这些细菌“呼吸”铁或锰。

将电子从细胞转移到矿物需要一系列特殊的化学反应，即所谓的细胞外电子转移链，它以微小的电流携带电子。

一些科学家已经用这条链来制造电池:把一个电极放在装有这些细菌的烧瓶中，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时细菌才会使用，也许是在氧气水平低的时候。

到目前为止，这种更简单的电子传递链已经在一个只拥有单细胞壁的细菌中发现，这种细菌被分类为革兰氏阳性细菌，这些细菌生活在含有大量黄素的环境中，而黄素是维生素B2的衍生物。

第一作者、博士后研究员萨姆·莱特(Sam Light)说:“看来，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，使得电子从细胞中转移出来变得更容易、更经济。”

“因此，我们认为，传统上研究的矿物质呼吸细菌使用细胞外电子转移，是因为它对生存至关重要，而这些新发现的细菌使用它，是因为它‘容易’。”

为了了解这个系统的健壮性，Light与来自劳伦斯伯克利国家实验室的Caroline Ajo-Franklin合作，她研究了活的微生物和无机材料之间的相互作用，以用于碳捕获、封存和生物太阳能发电。

她使用一个电极来测量从细菌中流出的电流——最高可达500微安——证实了它确实是发电的。

事实上，它们产生的电大约相当于每细胞每秒10万个电子，就像我们所知的产电细菌一样。

莱特特别感兴趣的是这种系统存在于乳酸菌中，这种细菌对奶酪、酸奶和酸菜的生产至关重要。

他认为，也许电子传递在奶酪和酸菜的味道中起了作用。

他说:“这是细菌生理学的一个很大的部分，人们没有意识到它的存在，而且它可以被潜在地操纵。”

Light和Portnoy对这些细菌如何以及为什么会发展出如此独特的系统还有很多疑问。

简单来说，为什么通过一个细胞壁转移电子比通过两个更容易，怎样利用无处不在的黄素分子来摆脱电子，这些关键似乎让这些细菌找到了在富氧和贫氧环境中生存的方法。