肠道细菌的惊人秘密:它们能发电

2019-07-10 318细菌益生菌的作用

虽然在矿井和湖底等奇特环境中发现了能产生电能的细菌,但科学家们却忽略了一个离家更近的源头:人类肠道。

加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的科学家们发现,一种常见的导致腹泻的细菌——单核增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)——利用一种与已知的致电细菌完全不同的技术来发电,而其他数百种细菌也使用同样的过程。

这些引发火花的细菌中,有许多是人类肠道微生物群的一部分,还有很多,比如导致食源性疾病李斯特菌病(listeriosis)的病菌,也可能导致流产,都是致病的。引起坏疽的细菌(产气梭菌)和医院获得性感染的细菌(粪肠球菌)以及一些致病的链球菌也能发电。其他电原性细菌,如乳酸菌,在发酵酸奶中很重要,其中许多是益生菌

“事实上,如此多的与人类互动的细菌,无论是作为病原体,还是作为益生菌,或在我们的微生物群中,或参与人类产品的发酵,都是电致的——这在以前被忽略了,”加州大学伯克利分校教授Dan Portnoy说。“它可以告诉我们很多关于这些细菌是如何感染我们的,或者帮助我们拥有一个健康的肠道。”

这一发现对那些目前试图用微生物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发电。 这项研究将于9月12日在网上发表,10月4日将在《自然》杂志上发表。

肠道细菌的惊人秘密:它们能发电

金属呼吸

细菌发电的原因与我们呼吸氧气的原因相同:去除新陈代谢过程中产生的电子,以支持能量的产生。动物和植物把它们的电子转移到每个细胞线粒体内的氧气中,而没有氧气的环境中的细菌——包括我们的肠道,以及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,那通常是细胞外的一种矿物质——例如铁或锰。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。一些科学家利用这条链制造了一种电池:把电极放在装有这些细菌的烧瓶里,你就可以发电了。

新发现的细胞外电子传递系统实际上比已知的传递链更简单,而且似乎只有在必要的时候才会被细菌利用,也许是在氧气水平较低的时候。到目前为止,这种简单的电子传递链已经在单细胞壁的细菌中发现——细菌被归为革兰氏阳性细菌——它们生活在含有大量黄酮的环境中,黄酮是维生素B2的衍生物。

第一作者Sam Light说:“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将电子转移到细胞外变得更容易。”“因此,我们认为传统研究的矿物呼吸细菌使用细胞外电子传递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’。”

肠道细菌的惊人秘密:它们能发电

研究内容

为了了解这个系统有多强大,Light与劳伦斯伯克利国家实验室的Caroline Ajo-Franklin合作,探索了活微生物和无机材料之间的相互作用,为碳捕获和封存以及生物太阳能发电提供了可能的应用。

她用一个电极来测量从细菌中流出的电流——最高可达500微安——证实了它确实具有电致性。事实上,它们产生的电流——每个细胞每秒约10万个电子——与已知的致电细菌一样多。

Light对乳酸菌的存在尤其感兴趣,乳酸菌是生产奶酪、酸奶和酸菜的关键细菌。他认为,或许电子传递在奶酪和泡菜的味道中发挥了作用。

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

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后续研究

Light和Portnoy对这些细菌是如何以及为什么发展出如此独特的系统还有很多疑问。简单性——通过一个细胞壁而不是两个细胞壁传递电子更容易——而且机会——利用无处不在的黄素分子来摆脱电子——似乎已经使这些细菌找到了一种在富氧和贫氧环境中生存的方法。

引用

University of California - Berkeley. "Gut bacteria's shocking secret: They produce electricity." ScienceDaily. ScienceDaily, 12 September 2018. www.sciencedaily.com/releases/2018/09/180912133442.htm.

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